Nanocząsteczki zwiększają laserowy akcelerator pola wakefield do 10 GeV – Świat Fizyki

Stworzono wysoce stabilny laserowy akcelerator pola wakefield Bjorna Manuela Hegelicha na Uniwersytecie Teksasu w Austin i międzynarodowym zespole. Ich urządzenie wykorzystuje nanocząstki do umieszczania elektronów bezpośrednio w fali plazmowej, przyspieszając je do energii sięgającej 10 GeV.

Laserowe przyspieszanie pola wzbudzenia, zaproponowane po raz pierwszy w 1979 r., umożliwia stworzenie kompaktowych akceleratorów cząstek, które mogą osiągać energie normalnie dostępne w obiektach o wielkości kilometra.

Proces przyspieszania polega na wystrzeleniu intensywnego impulsu laserowego w małą komórkę gazu o małej gęstości. Światło jonizuje atomy i cząsteczki gazu, tworząc plazmę. W obszarach impulsu laserowego o największej intensywności pole elektryczne oddziela lekkie elektrony od cięższych jonów. Po przejściu impulsu elektrony wracają do jonów, wyzwalając falę plazmową, która rozprzestrzenia się w komórce podobnie jak ślad łodzi.

Ogromne gradienty

Ta fala plazmowa ma oscylujące pole elektryczne, które przypomina fale elektromagnetyczne, które napędzają cząstki przez konwencjonalne akceleratory – ale długość fali plazmy jest znacznie krótsza. Rezultatem jest gradient przyspieszenia, który może być o trzy rzędy wielkości większy niż w konwencjonalnych akceleratorach.

W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci fizycy osiągnęli kilka ważnych kamieni milowych w udoskonalaniu konstrukcji i działania laserowego akceleratora pola wakefield. Wytwarzanie stabilnych wiązek elektronów pozostaje jednak poważnym wyzwaniem. Jednym z ważnych problemów jest to, jak zapewnić, że przyspieszane elektrony znajdą się we właściwym miejscu i we właściwym czasie, aby jak najlepiej wykorzystać pole wakeboardu.

W swoich badaniach zespół Hegelicha sprostał temu wyzwaniu, stosując zmodyfikowaną konfigurację akceleratora obejmującą wyjmowaną metalową płytkę na dnie ogniwa helowo-gazowego. Proces przyspieszania rozpoczyna się od wystrzelenia w płytkę impulsu z pomocniczego lasera. Powoduje to uwolnienie nanocząstek aluminium, które mieszają się równomiernie z gazem.

Gaz jest następnie jonizowany za pomocą silnego impulsu z Laser Texas Petawatt, który tworzy plazmę, a także uwalnia elektrony z nanocząstek.

We właściwym miejscu o właściwym czasie

„Nanocząstki uwalniają elektrony we właściwym miejscu i w odpowiednim czasie, więc wszystkie pozostają w fali” – wyjaśnia Hegelich. „Dostajemy o wiele więcej elektronów do fali, kiedy i gdzie chcemy, a nie statystycznie rozłożonych na całą interakcję”.

Nowy akcelerator cząstek napędzany jest zakrzywionymi wiązkami laserowymi

W rezultacie zespół był w stanie wyprodukować znacznie stabilniejsze i spójne wiązki elektronów niż poprzednie projekty. Wygenerowali wiązki o energiach 4–10 GeV z urządzenia o długości zaledwie 10 cm. Dla porównania akcelerator liniowy w European XFEL w Hamburgu przyspiesza elektrony do 17 GeV na dystansie 2.1 km.

Na razie naukowcy nie mają dobrej teoretycznej wiedzy na temat tego, dlaczego ich system działa tak dobrze, dlatego planują bardziej szczegółowo zbadać mechanizmy w nanoskali.

Zespół ma nadzieję, że przyszłe generacje laserowych akceleratorów pola wakefield odniosą korzyści z prowadzonych badań. Opracowanie praktycznych akceleratorów wielkości pomieszczenia może być przydatne w wielu dziedzinach, w tym w materiałoznawstwie, obrazowaniu medycznym i terapii nowotworów.

Badania opisano w Materia i promieniowanie w ekstremach.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/nanoparticles-give-laser-wakefield-accelerator-a-boost-to-10-gev/