Nieuwe positronbron zou lepton-botsers een boost kunnen geven – Physics World

Nieuwe positronbron zou lepton-botsers een boost kunnen geven – Physics World

Tijdstempel: 9 februari 2024 3:52 uur

Supergeleidende solenoïde
Positronische doorbraak: Henrique Garcia Rodrigues van PSI past de supergeleidersolenoïde voor hoge temperaturen aan die is gebouwd als onderdeel van een nieuwe positronbron. (Met dank aan: Paul Scherrer Instituut/Markus Fischer)

Computersimulaties en laboratoriumexperimenten uitgevoerd in Zwitserland hebben het ontwerp bevorderd van een nieuw type positronenbron dat zou kunnen worden gebruikt in lepton-botsers van de volgende generatie, zoals de voorgestelde Toekomstige Circulaire Collider (FCC) bij CERN. Ontwikkeld door Nicolaas Vallis en collega's van het Paul Scherrer Instituut (PSI) maakt het ontwerp gebruik van supergeleidermagneten op hoge temperatuur om positronen te verzamelen en deze in een strakke straal te focusseren. Het team zegt dat de bron in 2026 volledig operationeel zou kunnen zijn.

Positronbronnen voor versnellers zijn afhankelijk van een effect dat paarproductie wordt genoemd, waarbij een hoogenergetisch foton interageert met een atoomkern om een ​​positron en een elektron te creëren. Dit wordt meestal gedaan door een elektronenbundel met hoge energie op een dicht, vast doel af te vuren. Elektronen die worden afgebogen door atomen in het doel zullen fotonen uitstralen, die vervolgens interageren met andere doelatomen om de elektron/positron-paren te creëren.

Hoewel deze aanpak veel positronen creëert, vliegen ze in vele richtingen weg. Als de positronen bestemd zijn voor gebruik in een deeltjesversneller, moeten ze worden verzameld en gefocusseerd in een straal. Dit proces is zeer inefficiënt, waarbij de meeste positronen verloren gaan.

Magnetische en mechanische uitdagingen

Tegenwoordig wordt het verzamelen en scherpstellen gedaan met behulp van elektromagneten die solenoïden worden genoemd. “De kracht van conventionele magneten, zelfs in het multi-Tesla-bereik, zorgt er echter voor dat slechts een klein deel van de gegenereerde positronen kan worden opgevangen”, legt Vallis uit. “Bovendien is hun mechanische implementatie in strijd met het doel, waardoor het wegblijft van zijn optimale locatie binnen het magnetische veld.”

Het bouwen van betere positronbronnen is een doel van natuurkundigen en ingenieurs die werken aan ontwerpen voor toekomstige lepton-botsers. Deze omvatten de International Linear Collider en een versie van de FCC genaamd FCC-ee, die positronen met elektronen zou laten botsen. Het PSI Positron Production- of P-cubed-experiment is zo'n ontwerpinspanning.

“Een van de uitdagingen waarmee we worden geconfronteerd is het produceren, vangen en transporteren van positronen in voldoende grote hoeveelheden om de gewenste helderheid te bereiken”, beschrijft Vallis. "P-cubed pakt dit probleem aan en stelt een nieuwe positronbron en opvangsysteem voor met het potentieel om de huidige positronopbrengst met een orde van grootte te verbeteren."

Laatste ontwikkelingen

De aanpak van het team is gebaseerd op de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van solenoïden gemaakt van hoge-temperatuur-supergeleiders (HTS's). Deze kunnen veel hogere magnetische velden genereren dan elektromagneten die conventionele geleiders gebruiken.

In hun laatste onderzoek beschrijven Vallis en collega's hoe hun prototype van een positronenbron zal worden geïmplementeerd bij PSI's SwissFEL röntgenvrije-elektronenlaser. Pulsen van SwissFEL zullen groepen elektronen versnellen naar een solide doelwit dat omringd zal worden door de nieuwe HTS-solenoïde. Het magnetische veld van de solenoïde zal vervolgens positronen focusseren in twee opeenvolgende RF-holteversnellers om een ​​positronenbundel te creëren

Naast het sterke magnetische veld van de solenoïde zegt Vallis dat “het mechanische ontwerp een volledige onderdompeling van het doel in het magnetische veld mogelijk maakt, waardoor optimale omstandigheden voor het vangen van positronen mogelijk zijn”.

Verdere verbeteringen

Met deze opstelling konden de onderzoekers ook onderzoeken hoe andere componenten zouden kunnen helpen de positronopbrengsten te verbeteren. Deze omvatten versnellingsholtes met grote openingen en nieuwe opstellingen van detectie-instrumenten. Het P-cubed-experiment wordt momenteel geïnstalleerd bij SwissFEL en zou begin 2026 van start moeten gaan.

“Als de experimentele bevindingen aan onze verwachtingen voldoen, zal P-cubed een nieuw positronbron- en opvangsysteem demonstreren dat de efficiëntie van zijn voorgangers een orde van grootte overtreft”, zegt Vallis. “Bovendien hebben magneetexperts bij PSI met succes een prototype van de HTS-solenoïde uitgevoerd, misschien wel het meest kritische onderdeel van het experiment, en een magnetisch piekveld van ongeveer 18 T gemeten.” Ter vergelijking: het sterkste continue magnetische veld dat ooit in het laboratorium is gecreëerd, is iets meer dan 45 T.

“P-cubed zal een van de weinige positronbronnen zijn die geschikt zijn voor deeltjesversnellers wereldwijd, en een unieke faciliteit in Europa, dus we willen het volledige potentieel en innovatieve vermogen ervan ontwikkelen”, zegt hij. "We zullen bijvoorbeeld een reeks nieuwe ideeën testen, zoals het gebruik van kristallen en conische doelen voor een verder verbeterde positronproductie."

Het onderzoek is beschreven in Fysieke beoordeling Versnellers en bundels.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld