Nanopartikel verleihen Laser-Wakefield-Beschleuniger einen Boost auf 10 GeV – Physics World

Ein hochstabiler Laser-Wakefield-Beschleuniger wurde von entwickelt Björn Manuel Hegelich an der University of Texas in Austin und einem internationalen Team. Ihr Gerät verwendet Nanopartikel, um Elektronen direkt in seine Plasmawelle zu bringen und die Elektronen auf Energien von bis zu 10 GeV zu beschleunigen.

Die 1979 erstmals vorgeschlagene Laser-Wakefield-Beschleunigung bietet eine Möglichkeit, kompakte Teilchenbeschleuniger zu bauen, die Energien erreichen können, die normalerweise kilometergroßen Anlagen vorbehalten sind.

Beim Beschleunigungsprozess wird ein intensiver Laserimpuls in eine kleine Zelle aus Gas geringer Dichte abgefeuert. Das Licht ionisiert Atome und Moleküle im Gas und erzeugt ein Plasma. In den Bereichen höchster Intensität des Laserpulses trennt das elektrische Feld die leichten Elektronen von den schwereren Ionen. Sobald der Impuls vorbei ist, strömen die Elektronen zurück zu den Ionen und lösen eine Plasmawelle aus, die sich ähnlich wie das Kielwasser eines Bootes durch die Zelle ausbreitet.

Riesiges Gefälle

Diese Plasmawelle verfügt über ein oszillierendes elektrisches Feld, das den elektromagnetischen Wellen ähnelt, die Teilchen durch herkömmliche Beschleuniger treiben – allerdings ist die Plasmawellenlänge viel kürzer. Das Ergebnis ist ein Beschleunigungsgradient, der drei Größenordnungen größer sein kann als bei herkömmlichen Beschleunigern.

In den letzten Jahrzehnten haben Physiker mehrere wichtige Meilensteine ​​bei der Perfektionierung des Designs und des Betriebs des Laser-Wakefield-Beschleunigers erreicht. Es bleibt jedoch eine große Herausforderung, stabile Elektronenstrahlen zu erzeugen. Ein wichtiges Problem besteht darin, sicherzustellen, dass die zu beschleunigenden Elektronen zur richtigen Zeit am richtigen Ort sind, um das Wakefield optimal zu nutzen.

In ihrer Studie ging Hegelichs Team diese Herausforderung mit einem modifizierten Beschleunigeraufbau an, der über eine abnehmbare Metallplatte am Boden einer Heliumgaszelle verfügt. Der Beschleunigungsprozess beginnt mit dem Abfeuern eines Impulses eines Hilfslasers auf die Platte. Dadurch werden Aluminium-Nanopartikel freigesetzt, die sich gleichmäßig mit dem Gas vermischen.

Anschließend wird das Gas mit einem starken Impuls ionisiert Texas-Petawatt-Laser, wodurch das Plasma entsteht und gleichzeitig Elektronen aus den Nanopartikeln freigesetzt werden.

Richtiger Ort, richtige Zeit

„Die Nanopartikel geben genau zum richtigen Zeitpunkt und zum richtigen Zeitpunkt Elektronen ab, sodass sie alle in der Welle sitzen“, erklärt Hegelich. „Wir bringen viel mehr Elektronen in die Welle, wann und wo wir sie haben wollen, anstatt sie statistisch über die gesamte Wechselwirkung zu verteilen.“

Neuer Teilchenbeschleuniger wird von gekrümmten Laserstrahlen angetrieben

Dadurch konnte das Team weitaus stabilere und gleichmäßigere Elektronenstrahlen erzeugen als frühere Entwürfe. Sie erzeugten Strahlen mit Energien im Bereich von 4–10 GeV aus einem nur 10 cm langen Gerät. Im Vergleich dazu beschleunigt der Linearbeschleuniger am European XFEL in Hamburg Elektronen über eine Distanz von 17 km auf 2.1 GeV.

Derzeit haben die Forscher kein gutes theoretisches Verständnis dafür, warum ihr System so gut funktioniert, daher planen sie, die nanoskaligen Mechanismen detaillierter zu untersuchen.

Das Team hofft, dass zukünftige Generationen von Laser-Wakefield-Beschleunigern von ihrer Forschung profitieren werden. Die Entwicklung praktischer, raumgroßer Beschleuniger könnte in einem breiten Spektrum von Bereichen nützlich sein, darunter Materialwissenschaften, medizinische Bildgebung und Krebstherapie.

Die Forschung ist beschrieben in Materie und Strahlung im Extrem.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/nanoparticles-give-laser-wakefield-accelerator-a-boost-to-10-gev/