Interactions extrêmes avec des plasmas pour l'électrodynamique quantique en champ fort

Le régime de l'électrodynamique quantique (QED) en champ fort est aujourd'hui considéré comme la prochaine étape majeure à atteindre pour toutes les futures installations laser de puissance petawatt. Dans ce régime, de nouveaux processus, tels que l'émission de rayons gamma via la diffusion Compton inverse non linéaire et leur désintégration en paires électron-positron via le processus Breit-Wheeler non linéaire, deviennent possibles. Cependant, la difficulté expérimentale à dépasser le champ de Schwinger dans le référentiel propre des électrons a empêché une mesure expérimentale précise des observables QED dans ce régime.Dans cette thèse, nous proposons et étudions de nouveaux schémas pour atteindre expérimentalement le régime de la QED en champ fort. Tout d'abord nous présentons les résultats expérimentaux montrants un effet de focalisation extrême sur un faisceau d'électrons de 10 GeV fourni par l'accélérateur de Stanford (SLAC) lors de sa collision avec une cible composée de plusieurs fines feuilles d'aluminium. Les simulations montrent que la cible pourrait focaliser le faisceau d'électrons jusqu'à des densités solides, déclenchant ainsi des effets de QED en champ fort. En commençant avec un faisceau d'électrons déjà très dense, nous avons également démontré grâce à des simulations PIC-QED que sa collision avec une feuille fine unique pourrait reproduire des conditions similaires à une collision faisceau-faisceau, créant ainsi une interaction QED très propre avec un dispositif expérimental beaucoup plus simple et auto-aligné. Le second schéma étudié est basé sur l'accélération laser-plasma où un laser unique génère et accélère des électrons à des énergies de l'ordre du GeV, est réfléchi par une feuille et entre en collision avec les électrons qui le suivent. Ce dispositif simple et auto-aligné a fait l'objet d'une expérience à l'installation laser APOLLON et a permis de générer des rayons gamma dans la gamme des 100 MeV. Des simulations supplémentaires montrent qu'en ajoutant un second jet de gaz à haute densité avant la feuille, il est possible de focaliser le laser et d'augmenter son intensité de deux ordres de grandeur avant la collision, permettant ainsi au dispositif d'explorer le régime de la QED en champ fort avec ce laser unique, dans un dispositif auto-aligné.