Ny positronkilde kunne give leptonkolliderere et boost - Physics World

Computersimuleringer og laboratorieeksperimenter udført i Schweiz har fremmet designet af en ny type positronkilde, der kunne bruges i næste generation af leptonkollidere som den foreslåede Fremtidig Circular Collider (FCC) hos CERN. Udviklet af Nicolas Vallis og kolleger ved Paul Scherrer Institute (PSI), bruger designet højtemperatur-superledermagneter til at indsamle positroner og fokusere dem til en tæt stråle. Holdet siger, at dens kilde kunne være fuldt operationel i 2026.

Positronkilder til acceleratorer er afhængige af en effekt kaldet parproduktion, hvorved en højenergifoton interagerer med en atomkerne for at skabe en positron og en elektron. Dette gøres normalt ved at affyre en højenergi-elektronstråle ind i et tæt fast mål. Elektroner, der afbøjes af atomer i målet, vil udstråle fotoner, som derefter interagerer med andre målatomer for at skabe elektron/positron-parrene.

Selvom denne tilgang skaber masser af positroner, flyver de i mange retninger. Hvis positronerne er bestemt til brug i en partikelaccelerator, skal de samles og fokuseres til en stråle. Denne proces er meget ineffektiv, hvor de fleste positroner går tabt.

Magnetiske og mekaniske udfordringer

I dag foregår samlingen og fokuseringen ved hjælp af elektromagneter kaldet solenoider. "Men styrken af ​​konventionelle magneter, selv i multi-Tesla-serien, tillader kun en lille del af de genererede positroner at blive fanget," forklarer Vallis. "Desuden er deres mekaniske implementering i konflikt med målet og holder det væk fra dets optimale placering inde i magnetfeltet."

Opbygning af bedre positronkilder er et mål for fysikere og ingeniører, der arbejder på design til fremtidige leptonkolliderer. Disse omfatter International Linear Collider og en version af FCC kaldet FCC-ee, som ville kollidere positroner med elektroner. PSI Positron Production eller P-kubed eksperimentet er en sådan designindsats.

"En af de udfordringer, vi står over for, er at producere, fange og transportere positroner i tilstrækkeligt store mængder til at opnå den ønskede lysstyrke," beskriver Vallis. "P-cubed løser dette problem og foreslår en ny positronkilde og indfangningssystem med potentiale til at øge det nuværende positronudbytte med en størrelsesorden."

Seneste fremskridt

Holdets tilgang er baseret på de seneste fremskridt inden for solenoider lavet af højtemperatur-superledere (HTS'er). Disse kan generere meget højere magnetfelter end solenoider, der bruger konventionelle ledere.

I deres seneste forskning beskriver Vallis og kolleger, hvordan deres prototype positronkilde vil blive implementeret ved PSI's SwissFEL røntgenfri-elektronlaser. Pulser fra SwissFEL vil accelerere bundter af elektroner mod et fast mål, der vil være omgivet af den nye HTS-solenoide. Solenoidens magnetfelt vil derefter fokusere positroner i to på hinanden følgende RF-kavitetsacceleratorer for at skabe en positronstråle

Ud over solenoidens stærke magnetfelt siger Vallis "dens mekaniske design giver mulighed for en fuld nedsænkning af målet i magnetfeltet, hvilket muliggør optimale betingelser for positronfangning".

Yderligere forbedringer

Med dette setup kunne forskerne også undersøge, hvordan andre komponenter kunne være med til at forbedre positronudbyttet. Disse omfatter store blændeaccelererende hulrum og nye arrangementer af detektionsinstrumenter. P-kubed-eksperimentet er i øjeblikket ved at blive installeret på SwissFEL, og det skulle begynde i drift i begyndelsen af ​​2026.

Laser skaber højenergi positronstråle

"Hvis de eksperimentelle resultater lever op til vores forventninger, vil P-cubed demonstrere et nyt positronkilde- og indfangningssystem, der overgår effektiviteten af ​​sine forgængere med en størrelsesorden," siger Vallis. "Oven i det har magneteksperter hos PSI med succes kørt en prototype af HTS-solenoiden, velsagtens den mest kritiske komponent i eksperimentet, og målt et maksimalt magnetfelt på omkring 18 T." Til sammenligning er det stærkeste kontinuerlige magnetfelt, der nogensinde er skabt i laboratoriet, lidt over 45 T.

"P-cubed vil være en af ​​de få positronkilder, der er egnede til partikelacceleratorer på verdensplan, og en unik facilitet i Europa, så vi ønsker at udvikle dets fulde potentiale og innovative kapacitet," siger han. "For eksempel vil vi teste en række nye ideer, såsom brugen af ​​krystal og koniske mål til en yderligere forbedret positronproduktion."

Forskningen er beskrevet i Physical Review Acceleratorer og Beams.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/new-positron-source-could-give-lepton-colliders-a-boost/