Le nanoparticelle danno all'acceleratore laser wakefield una spinta fino a 10 GeV – Physics World

È stato creato un acceleratore laser wakefield altamente stabile Björn Manuel Hegelich presso l'Università del Texas ad Austin e un team internazionale. Il loro dispositivo utilizza nanoparticelle per immettere gli elettroni direttamente nell'onda del plasma, accelerando gli elettroni a energie fino a 10 GeV.

Proposta per la prima volta nel 1979, l'accelerazione laser del campo di scia offre un modo per creare acceleratori di particelle compatti in grado di raggiungere energie che normalmente sono riservate a strutture di dimensioni chilometriche.

Il processo di accelerazione prevede l'invio di un intenso impulso laser in una piccola cella di gas a bassa densità. La luce ionizza gli atomi e le molecole nel gas per creare un plasma. Nelle regioni di massima intensità dell’impulso laser, il campo elettrico separa gli elettroni leggeri dagli ioni più pesanti. Una volta che l'impulso è passato, gli elettroni ritornano agli ioni, innescando un'onda di plasma che si propaga attraverso la cellula in modo molto simile alla scia di una barca.

Gradiente enorme

Questa onda di plasma ha un campo elettrico oscillante che ricorda le onde elettromagnetiche che guidano le particelle attraverso gli acceleratori convenzionali, ma la lunghezza d’onda del plasma è molto più breve. Il risultato è un gradiente di accelerazione che può essere tre ordini di grandezza maggiore rispetto a quelli riscontrati negli acceleratori convenzionali.

Negli ultimi decenni, i fisici hanno raggiunto diversi traguardi importanti nel perfezionamento della progettazione e del funzionamento dell’acceleratore laser del campo di scia. Tuttavia, produrre fasci di elettroni stabili rimane una sfida significativa. Un problema importante è come garantire che gli elettroni da accelerare siano nel posto giusto al momento giusto per ottenere il massimo dal campo di scia.

Nel loro studio, il team di Hegelich ha affrontato questa sfida con una configurazione modificata dell'acceleratore che presenta una piastra metallica rimovibile sul fondo di una cella di gas elio. Il processo di accelerazione inizia inviando un impulso da un laser ausiliario alla piastra. Questo rilascia nanoparticelle di alluminio, che si mescolano uniformemente con il gas.

Il gas viene quindi ionizzato con un potente impulso proveniente dal Laser a petawatt del Texas, che crea il plasma e rilascia anche elettroni dalle nanoparticelle.

Nel posto giusto al momento giusto

"Le nanoparticelle rilasciano elettroni proprio nel punto giusto e al momento giusto, quindi sono tutti seduti nell'onda", spiega Hegelich. "Inseriamo molti più elettroni nell'onda quando e dove vogliamo, piuttosto che distribuirli statisticamente nell'intera interazione."

Il nuovo acceleratore di particelle è azionato da raggi laser curvi

Di conseguenza, il team ha potuto produrre fasci di elettroni molto più stabili e coerenti rispetto ai progetti precedenti. Hanno generato fasci a energie comprese tra 4 e 10 GeV, da un dispositivo lungo solo 10 cm. In confronto, l’acceleratore lineare dell’European XFEL di Amburgo accelera gli elettroni a 17 GeV su una distanza di 2.1 km.

Per ora, i ricercatori non hanno una buona comprensione teorica del motivo per cui il loro sistema funziona così bene, quindi intendono esplorare i meccanismi su scala nanometrica in modo più dettagliato.

Il team spera che le future generazioni di acceleratori laser wakefield trarranno vantaggio dalla loro ricerca. Lo sviluppo di acceleratori pratici, grandi quanto una stanza, potrebbe essere utile in un’ampia gamma di campi, tra cui la scienza dei materiali, l’imaging medico e la terapia del cancro.

La ricerca è descritta in Materia e radiazioni agli estremi.

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