Sumber positron baru dapat memberikan dorongan pada lepton collider – Dunia Fisika

Sumber positron baru dapat memberikan dorongan pada lepton collider – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 9 Februari 2024 3:52

Solenoida superkonduktor
Terobosan positronik: Henrique Garcia Rodrigues dari PSI menyesuaikan solenoid superkonduktor suhu tinggi yang telah dibuat sebagai bagian dari sumber positron baru. (Atas izin: Institut Paul Scherrer/Markus Fischer)

Simulasi komputer dan eksperimen laboratorium yang dilakukan di Swiss telah memajukan desain sumber positron jenis baru yang dapat digunakan dalam penumbuk lepton generasi mendatang seperti yang diusulkan. Collider Edaran Masa Depan (FCC) di CERN. Dikembangkan oleh Nicolas Vallis dan rekannya di Paul Scherrer Institute (PSI), desain ini menggunakan magnet superkonduktor bersuhu tinggi untuk mengumpulkan positron dan memfokuskannya menjadi sinar yang rapat. Tim mengatakan bahwa sumbernya dapat beroperasi penuh pada tahun 2026.

Sumber positron untuk akselerator bergantung pada efek yang disebut produksi pasangan, dimana foton berenergi tinggi berinteraksi dengan inti atom untuk menghasilkan positron dan elektron. Hal ini biasanya dilakukan dengan menembakkan berkas elektron berenergi tinggi ke target padat padat. Elektron yang dibelokkan oleh atom target akan memancarkan foton, yang kemudian berinteraksi dengan atom target lainnya membentuk pasangan elektron/positron.

Meskipun pendekatan ini menghasilkan banyak positron, mereka terbang ke berbagai arah. Jika positron dimaksudkan untuk digunakan dalam akselerator partikel, positron harus dikumpulkan dan difokuskan menjadi sebuah berkas. Proses ini sangat tidak efisien, karena sebagian besar positron hilang.

Tantangan magnetik dan mekanis

Saat ini, pengumpulan dan pemfokusan dilakukan dengan menggunakan elektromagnet yang disebut solenoida. “Namun, kekuatan magnet konvensional, bahkan dalam jangkauan multi-Tesla, hanya memungkinkan sebagian kecil dari positron yang dihasilkan dapat ditangkap,” jelas Vallis. “Selain itu, penerapan mekanisnya bertentangan dengan target, sehingga menjauhkan target dari lokasi optimalnya di dalam medan magnet.”

Membangun sumber positron yang lebih baik adalah tujuan para fisikawan dan insinyur yang mengerjakan desain penumbuk lepton di masa depan. Ini termasuk International Linear Collider dan versi FCC yang disebut FCC-ee, yang akan membenturkan positron dengan elektron. Produksi Positron PSI, atau eksperimen P-cubed adalah salah satu upaya desain tersebut.

“Salah satu tantangan yang kami hadapi adalah memproduksi, menangkap, dan mengangkut positron dalam jumlah yang cukup tinggi untuk mencapai luminositas yang diinginkan,” jelas Vallis. “P-cubed mengatasi masalah ini dan mengusulkan sumber positron baru dan sistem penangkapan yang berpotensi meningkatkan hasil positron saat ini dengan urutan besarnya.”

Kemajuan terbaru

Pendekatan tim ini didasarkan pada kemajuan terbaru dalam solenoid yang terbuat dari superkonduktor suhu tinggi (HTS). Ini dapat menghasilkan medan magnet yang jauh lebih tinggi dibandingkan solenoida yang menggunakan konduktor konvensional.

Dalam penelitian terbaru mereka, Vallis dan rekannya menjelaskan bagaimana prototipe sumber positron mereka akan diimplementasikan pada laser elektron bebas sinar-X SwissFEL milik PSI. Pulsa dari SwissFEL akan mempercepat kumpulan elektron menuju target padat yang dikelilingi oleh solenoid HTS baru. Medan magnet solenoid kemudian akan memfokuskan positron ke dalam dua akselerator rongga RF yang berurutan untuk menghasilkan berkas positron.

Selain medan magnet solenoid yang kuat, Vallis mengatakan “desain mekanisnya memungkinkan target terbenam sepenuhnya dalam medan magnet, memungkinkan kondisi optimal untuk penangkapan positron”.

Perbaikan lebih lanjut

Dengan pengaturan ini, para peneliti juga dapat memeriksa bagaimana komponen lain dapat membantu meningkatkan hasil positron. Ini termasuk bukaan besar yang mempercepat rongga, dan pengaturan instrumen pendeteksi yang baru. Eksperimen P-cubed saat ini sedang dipasang di SwissFEL dan akan mulai beroperasi pada awal tahun 2026.

“Jika temuan eksperimental memenuhi harapan kami, P-cubed akan mendemonstrasikan sumber positron baru dan sistem penangkapan yang jauh lebih efisien dibandingkan pendahulunya,” kata Vallis. “Selain itu, para ahli magnet di PSI telah berhasil menjalankan prototipe solenoid HTS, yang bisa dibilang merupakan komponen paling penting dalam eksperimen ini, dan mengukur medan magnet puncak sekitar 18 T.” Sebagai perbandingan, medan magnet kontinu terkuat yang pernah dibuat di laboratorium adalah sekitar 45 T.

“P-cubed akan menjadi salah satu dari sedikit sumber positron yang cocok untuk akselerator partikel di seluruh dunia, dan merupakan fasilitas unik di Eropa, jadi kami ingin mengembangkan potensi penuh dan kapasitas inovatifnya,” katanya. “Misalnya, kami akan menguji serangkaian ide baru, seperti penggunaan target kristal dan berbentuk kerucut untuk lebih meningkatkan produksi positron.”

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Tinjauan Fisik Akselerator dan Balok.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika