Νέα πηγή ποζιτρονίων θα μπορούσε να δώσει ώθηση στους επιταχυντές λεπτονίων - Physics World

Οι προσομοιώσεις υπολογιστή και τα εργαστηριακά πειράματα που έγιναν στην Ελβετία έχουν προωθήσει το σχεδιασμό ενός νέου τύπου πηγής ποζιτρονίων που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε επιταχυντές λεπτονίων επόμενης γενιάς, όπως η προτεινόμενη Μελλοντικός Κυκλικός Επιταχυντής (FCC) στο CERN. Αναπτύχθηκε από Νικόλαος Βάλλης και συνεργάτες στο Ινστιτούτο Paul Scherrer (PSI), ο σχεδιασμός χρησιμοποιεί μαγνήτες υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας για τη συλλογή ποζιτρονίων και την εστίασή τους σε μια σφιχτή δέσμη. Η ομάδα λέει ότι η πηγή του θα μπορούσε να είναι πλήρως λειτουργική μέχρι το 2026.

Οι πηγές ποζιτρονίων για επιταχυντές βασίζονται σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται παραγωγή ζεύγους, όπου ένα φωτόνιο υψηλής ενέργειας αλληλεπιδρά με έναν ατομικό πυρήνα για να δημιουργήσει ένα ποζιτρόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Αυτό γίνεται συνήθως με την εκτόξευση μιας δέσμης ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας σε έναν πυκνό στερεό στόχο. Τα ηλεκτρόνια που εκτρέπονται από άτομα στον στόχο θα ακτινοβολούν φωτόνια, τα οποία στη συνέχεια αλληλεπιδρούν με άλλα άτομα-στόχους για να δημιουργήσουν τα ζεύγη ηλεκτρονίων/ποζιτρονίων.

Αν και αυτή η προσέγγιση δημιουργεί πολλά ποζιτρόνια, αυτά πετούν προς πολλές κατευθύνσεις. Εάν τα ποζιτρόνια προορίζονται για χρήση σε έναν επιταχυντή σωματιδίων, πρέπει να συγκεντρωθούν και να εστιαστούν σε μια δέσμη. Αυτή η διαδικασία είναι πολύ αναποτελεσματική, με τα περισσότερα ποζιτρόνια να χάνονται.

Μαγνητικές και μηχανικές προκλήσεις

Σήμερα, η συγκέντρωση και η εστίαση γίνεται χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνήτες που ονομάζονται σωληνοειδείς. «Ωστόσο, η ισχύς των συμβατικών μαγνητών, ακόμη και στην περιοχή πολλαπλών Tesla, επιτρέπει τη σύλληψη μόνο ενός μικρού ποσοστού των παραγόμενων ποζιτρονίων», εξηγεί ο Vallis. «Επιπλέον, η μηχανική τους εφαρμογή έρχεται σε σύγκρουση με τον στόχο, κρατώντας τον μακριά από τη βέλτιστη θέση του μέσα στο μαγνητικό πεδίο».

Η δημιουργία καλύτερων πηγών ποζιτρονίων είναι ένας στόχος των φυσικών και των μηχανικών που εργάζονται σε σχέδια για μελλοντικούς επιταχυντές λεπτονίων. Αυτά περιλαμβάνουν τον Διεθνή Γραμμικό Επιταχυντή και μια έκδοση του FCC που ονομάζεται FCC-ee, που θα συγκρούονταν ποζιτρόνια με ηλεκτρόνια. Το PSI Positron Production, ή το πείραμα με κύβους P είναι μια τέτοια σχεδιαστική προσπάθεια.

«Μία από τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουμε είναι να παράγουμε, να συλλάβουμε και να μεταφέρουμε ποζιτρόνια σε αρκετά υψηλές ποσότητες για να επιτύχουμε την επιθυμητή φωτεινότητα», περιγράφει ο Vallis. "Το P-cubed αντιμετωπίζει αυτό το πρόβλημα και προτείνει ένα νέο σύστημα πηγής και σύλληψης ποζιτρονίων με τη δυνατότητα να βελτιώσει την τρέχουσα απόδοση ποζιτρονίων κατά μια τάξη μεγέθους."

Τελευταίες προόδους

Η προσέγγιση της ομάδας βασίζεται στις τελευταίες εξελίξεις σε ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες που κατασκευάζονται από υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας (HTS). Αυτά μπορούν να δημιουργήσουν πολύ υψηλότερα μαγνητικά πεδία από τα σωληνοειδείς που χρησιμοποιούν συμβατικούς αγωγούς.

Στην τελευταία τους έρευνα, ο Vallis και οι συνεργάτες τους περιγράφουν πώς θα εφαρμοστεί η πρωτότυπη πηγή ποζιτρονίων τους στο λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ SwissFEL του PSI. Παλμοί από το SwissFEL θα επιταχύνουν δέσμες ηλεκτρονίων προς έναν συμπαγή στόχο που θα περιβάλλεται από τη νέα ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα HTS. Το μαγνητικό πεδίο του σωληνοειδούς θα εστιάσει στη συνέχεια τα ποζιτρόνια σε δύο διαδοχικούς επιταχυντές κοιλότητας RF για να δημιουργήσει μια δέσμη ποζιτρονίων

Εκτός από το ισχυρό μαγνητικό πεδίο του σωληνοειδούς, ο Vallis λέει ότι «ο μηχανικός του σχεδιασμός επιτρέπει την πλήρη βύθιση του στόχου στο μαγνητικό πεδίο, επιτρέποντας τις βέλτιστες συνθήκες για τη σύλληψη ποζιτρονίων».

Περαιτέρω βελτιώσεις

Με αυτή τη ρύθμιση, οι ερευνητές θα μπορούσαν επίσης να εξετάσουν πώς άλλα συστατικά θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη βελτίωση των αποδόσεων ποζιτρονίων. Αυτά περιλαμβάνουν κοιλότητες επιτάχυνσης μεγάλου ανοίγματος και νέες διατάξεις οργάνων ανίχνευσης. Το πείραμα P-cubed εγκαθίσταται επί του παρόντος στο SwissFEL και αναμένεται να ξεκινήσει τη λειτουργία του στις αρχές του 2026.

Το λέιζερ δημιουργεί δέσμη ποζιτρονίων υψηλής ενέργειας

«Εάν τα πειραματικά ευρήματα ανταποκριθούν στις προσδοκίες μας, το P-cubed θα επιδείξει μια νέα πηγή και σύστημα σύλληψης ποζιτρονίων που ξεπερνά την αποτελεσματικότητα των προκατόχων του κατά μια τάξη μεγέθους», λέει ο Vallis. «Επιπλέον, ειδικοί σε μαγνήτες στο PSI έχουν τρέξει με επιτυχία ένα πρωτότυπο της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας HTS, αναμφισβήτητα το πιο κρίσιμο συστατικό του πειράματος, και μέτρησαν ένα μέγιστο μαγνητικό πεδίο περίπου 18 Τ». Συγκριτικά, το ισχυρότερο συνεχές μαγνητικό πεδίο που δημιουργήθηκε ποτέ στο εργαστήριο είναι λίγο πάνω από 45 T.

«Το P-cubed θα είναι μια από τις λίγες πηγές ποζιτρονίων που είναι κατάλληλες για επιταχυντές σωματιδίων παγκοσμίως και μια μοναδική εγκατάσταση στην Ευρώπη, επομένως θέλουμε να αναπτύξουμε το πλήρες δυναμικό και την καινοτόμο ικανότητά του», λέει. «Για παράδειγμα, θα δοκιμάσουμε μια σειρά από καινοτόμες ιδέες, όπως η χρήση κρυστάλλων και κωνικών στόχων για μια περαιτέρω βελτιωμένη παραγωγή ποζιτρονίων».

Η έρευνα περιγράφεται στο Επιταχυντές και δοκοί φυσικής αναθεώρησης.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/new-positron-source-could-give-lepton-colliders-a-boost/