Contexte
Une nouvelle génération de lasers multi-pétawatts, tels les installations LMJ/PETAL et Apollon en France, ou le projet européen Extreme Light Infrastructure, capables, pour certains, d’atteindre des intensités supérieures à 10
22 W/cm
2, ouvre la voie à un régime d'interaction laser-matière inédit, couplant physique des plasmas relativistes, effets radiatifs et mécanismes d’électrodynamique quantique. Sources intenses de particules et rayonnements très énergétiques, mais aussi de champs quasi statiques d’amplitude extrême, ces lasers à « ultra haute intensité » (UHI) pourront servir à la reproduction en laboratoire de problèmes astrophysiques dominés par des processus cinétiques et relativistes.
Objectif de la thèse
La thèse proposée, de nature théorique et réalisée en cotutelle entre le CEA/DAM et l’Institut d’Astrophysique de Paris (IAP), vise à poursuivre les efforts menés au CEA/DAM sur la modélisation de l’interaction laser- plasma UHI et ses applications astrophysiques. Ce problème est simulé numériquement au moyen du code particle-in-cell (PIC) CALDER qui inclut également des mécanismes de production de photons X ou gamma (synchrotron, Bremsstrahlung) et de paires électron-positron (Breit-Wheeler, Bethe-Heitler) survenant dans les plasmas relativistes créés par laser. Par leur énergie typique, les champs électromagnétiques, externes ou auto-induits, qui les baignent et les instabilités qui les animent, ces plasmas peuvent s’apparenter à ceux attendus dans certains objets astrophysiques (supernovæ, vents de pulsars, sursauts gamma, etc.), caractérisés par l’émission de particules et rayonnements très énergétiques, et dont l’origine reste encore très débattue. Dès lors, les lasers UHI constituent des outils prometteurs pour la validation expérimentale de modèles astrophysiques, en complément de données observationnelles ou de calculs plus ou moins ab initio. Le but de la thèse sera d’examiner, par la simulation PIC et la modélisation théorique, diverses configurations laser-plasma donnant lieu à des processus dynamiques et radiatifs d’intérêt astrophysique.
Déroulement de la thèse
Deux types de scénarios seront principalement explorés. Le(la) doctorant(e) s’intéressera d’abord à l’interpénétration à grande vitesse de jets de plasma électron-ion ou électron-positron, en présence ou non d’un champ magnétique externe. Les instabilités excitées et leurs effets sur la dynamique du plasma seront analysés en détail, notamment afin de déterminer les conditions conduisant à la formation de chocs « sans collisions ».
Seront ensuite considérés des systèmes, également électron-ion ou électron-positron, comprenant des nappes de courant propices à des processus de reconnexion magnétique. La configuration de référence mettra en jeu l’interaction entre des bulles de plasma créées par des impulsions laser focalisées côte à côte.
Pour chaque étude, les simulations seront réalisées à la fois dans les conditions expérimentales et astrophysiques afin de révéler les processus communs mais aussi ceux spécifiques à l’interaction laser- plasma. Le doctorant pourra être amené à réaliser des développements au sein de CALDER, visant à en améliorer l’efficacité ou à introduire de nouveaux effets physiques.
Le travail de thèse sera effectué au CEA/DIF avec des visites fréquentes à l’IAP. Le(la) candidat(e) devra avoir suivi une formation en physique ainsi qu’en programmation et calcul scientifique. Les simulations numériques seront réalisées sur les supercalculateurs du TGCC/CCRT.
Directeur de thèse et école doctorale
M. LEMOINE (IAP)
École Doctorale « Astronomie Astrophysique d'Île-de- France » (ED 127)
GREMILLET Laurent
CEA/DIF – Bruyères-le-Châtel – 91297 Arpajon
Tél. : 01 69 26 40 00
laurent.gremillet@cea.fr