Nowy akcelerator cząstek jest napędzany zakrzywionymi wiązkami laserowymi – Physics World

Laserowy akcelerator pola wakefielda (LWFA), który prowadzi wiązki laserowe wzdłuż zakrzywionych kanałów podczas przyspieszania elektronów, został stworzony przez Jie Zhanga i współpracownikami z Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju w Chinach. Nowa technika może być kluczowym krokiem w kierunku opracowania kompaktowych, niedrogich alternatyw dla konwencjonalnych akceleratorów cząstek.

W LWFA gęsta plazma jest tworzona przez skupienie intensywnego impulsu laserowego w gazie. Poruszając się przez gaz, puls tworzy obszar naprzemiennych pól elektrycznych – „pole przebudzenia” – przypominające falę wodną, ​​która tworzy się w ślad za poruszającą się łodzią.

Unosząc się na tych falach, elektrony w plazmie mogą być przyspieszane do bardzo wysokich energii na bardzo krótkie odległości. W rezultacie technika ta jest bardzo obiecująca w opracowywaniu akceleratorów, które są znacznie mniejsze niż systemy konwencjonalne. Takie kompaktowe urządzenia byłyby bardzo przydatne w zastosowaniach medycznych i badawczych.

Problemy z ponownym wtryskiem

Aby elektrony osiągnęły prędkości relatywistyczne, przyspieszenie musi nastąpić wielokrotnie, przy czym elektrony z jednego etapu LWFA są wstrzykiwane do następnego. To nie jest łatwe, jako członek zespołu Min Chena wyjaśnia: „ponieważ ślad ma wielkość dziesiątek mikrometrów, a jego prędkość jest bardzo zbliżona do prędkości światła, ponowne wstrzyknięcie elektronów jest niezwykle trudne”. Podczas gdy w niektórych ostatnich badaniach osiągnięto ponowne wstrzyknięcie przy użyciu technik takich jak soczewki plazmowe, naukowcom udało się wstrzyknąć tylko niewielką część elektronów do drugiego etapu.

W 2018 roku zespół Zhanga i Chena wprowadził nowe podejście, jak opisuje Chen: „W naszym schemacie elektrony zawsze przemieszczają się w prostym kanale plazmowym, gdzie mogą być skupione przez pole laserowe. Drugi nowy laser jest następnie prowadzony przez zakrzywiony kanał plazmy i łączony z prostym kanałem, podobnie jak rampa autostrady”.

Pozwalając elektronom podróżować wzdłuż jednego nieprzerwanego etapu, zamiast wstrzykiwać je na początku każdego nowego etapu, takie podejście umożliwiłoby naukowcom zatrzymanie znacznie większej liczby cząstek podczas przyspieszania.

Drgająca plazma

Początkowo cel zespołu mógł wydawać się zbyt ambitny. Jeśli wiązka była choćby nieznacznie przesunięta ze środka, gdy łączyła się z prostym kanałem, mogłoby to spowodować kołysanie pola wzbudzenia plazmy – wyrzucając elektrony z ich prostych ścieżek i zmniejszając ich przyspieszenie.

Zespół Zhanga stawił czoła temu wyzwaniu, zmieniając krzywiznę kanału, co spowodowało różnice w gęstości plazmy w środku. Odkryli, że przy odpowiedniej krzywiźnie mogą powstrzymać oscylację pozycjonowania wiązki laserowej – tak więc, gdy elektrony zostały wstrzyknięte do prostej części kanału, powstałe pole wzbudzenia było wystarczająco stabilne, aby przyspieszyć cząstki do wyższych prędkości.

Nowy akcelerator elektronów łączy w sobie techniki laserowe i plazmowe

Dzięki ostatnim eksperymentom naukowcy odkryli kolejną zaletę swojego podejścia. „Odkryliśmy, że w niektórych przypadkach laser może nie tylko być prowadzony, ale może również generować pole wakefield wewnątrz zakrzywionego kanału i przyspieszać elektrony” – wyjaśnia Chen. „Zwykle znajdowano je tylko w prostym kanale plazmowym. Oznacza to, że w tak zakrzywionym kanale plazmowym mogą być prowadzone zarówno elektrony laserowe, jak i wysokoenergetyczne”.

Zespół uważa, że ​​jego wczesne wyniki są ważnym kamieniem milowym. „Nasz eksperyment pokazuje, w jaki sposób relatywistyczne elektrony mogą być stabilnie prowadzone przez zakrzywiony kanał plazmowy, co jest krytycznym etapem naszego stopniowego schematu przyspieszenia pola wakefield” – mówi Chen. „W przyszłości takie kanały mogą być wykorzystywane do przyspieszania w polu wakefield i prowadzenia elektronów”.

Jeśli uda im się zademonstrować większą liczbę etapów przyspieszania przy użyciu wielu zakrzywionych kanałów, zespół Zhanga ma nadzieję, że energia teraelektronowoltów może pewnego dnia być w zasięgu LWFA przy zaledwie ułamku wielkości i kosztów nowoczesnych akceleratorów cząstek. „W tej chwili możemy powiedzieć, że nasze badanie rozwiązuje krytyczny krok dla etapowego przyspieszania pola laserowego i pokazuje potencjał kompaktowego źródła promieniowania synchrotronowego” – mówi Chen.

Badania opisano w Physical Review Letters.

• 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. Motoryzacja / pojazdy elektryczne, Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Przesunięcia bloków. Modernizacja własności offsetu środowiskowego. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/new-particle-accelerator-is-driven-by-curved-laser-beams/