Noul accelerator de particule este condus de fascicule laser curbate – Physics World

Noul accelerator de particule este condus de fascicule laser curbate – Physics World

Marca temporală: 18 iulie 2023, ora 12:05

Bliț de lumină
Idee strălucitoare: cercetătorii din China au găsit o nouă modalitate de a accelera electronii folosind impulsuri de lumină. (Cu amabilitatea: iStock/7io)

Un accelerator laser wakefield (LWFA) care își ghidează fasciculele laser de-a lungul canalelor curbe în timp ce accelerează electronii a fost creat de Jie Zhang și colegii de la Universitatea Shanghai Jiao Tong din China. Noua tehnică ar putea fi un pas cheie către dezvoltarea unor alternative compacte și ieftine la acceleratorii convenționali de particule.

Într-un LWFA, o plasmă densă este creată prin focalizarea unui impuls laser intens într-un gaz. Pe măsură ce se mișcă prin gaz, pulsul creează o regiune de câmpuri electrice alternative – un „câmp de trezi” – care seamănă cu un val de apă care se formează în urma unei bărci în mișcare.

Călând aceste unde, electronii din plasmă pot fi accelerați la energii foarte mari pe distanțe foarte scurte. Ca rezultat, această tehnică arată foarte promițătoare pentru dezvoltarea acceleratoarelor care sunt mult mai mici decât sistemele convenționale. Astfel de dispozitive compacte ar fi foarte utile pentru aplicații medicale și de cercetare.

Nenorociri de reinjectare

Pentru ca electronii să atingă viteze relativiste, accelerația trebuie să aibă loc de mai multe ori, electronii dintr-o etapă LWFA fiind injectați în următorul. Acest lucru nu este ușor, ca membru al echipei Min Chen explică, „deoarece valul are o dimensiune de zeci de micrometri și viteza sa este foarte apropiată de viteza luminii, reinjectarea electronilor este extrem de dificilă”. În timp ce unele studii recente au realizat reinjectarea utilizând tehnici precum lentilele cu plasmă, cercetătorii au reușit să injecteze doar o mică fracțiune de electroni într-o a doua etapă.

În 2018, echipa lui Zhang și Chen au introdus o nouă abordare, așa cum descrie Chen: „În schema noastră, electronii călătoresc întotdeauna în interiorul unui canal de plasmă drept, unde pot fi focalizați de câmpul de trezire laser. Al doilea laser proaspăt este apoi ghidat de un canal de plasmă curbat și fuzionat în canalul drept, la fel ca o rampă de autostradă.”

Permițând electronilor să călătorească de-a lungul unei etape neîntrerupte, în loc să le injecteze la începutul fiecărei etape noi, această abordare le-ar permite cercetătorilor să rețină mult mai multe particule în timpul accelerației.

Plasmă clătinitoare

La început, golul echipei ar fi putut părea prea ambițios. Dacă un fascicul a fost chiar ușor decentrat atunci când s-a îmbinat cu canalul drept, ar putea provoca clătinarea câmpului de trezire a plasmei - aruncând electronii de pe căile lor drepte și diminuându-le accelerația.

Echipa lui Zhang a abordat această provocare variind curbura canalului, ceea ce a creat variații în densitatea plasmei din interior. Cu curbura potrivită, ei au descoperit că ar putea opri poziționarea fasciculului laser de la oscilare – astfel încât atunci când electronii au fost injectați în partea dreaptă a canalului, câmpul de trezi rezultat a fost suficient de stabil pentru a accelera particulele la viteze mai mari.

Prin ultimele lor experimente, cercetătorii au descoperit un alt avantaj al abordării lor. „Am descoperit că, în unele cazuri, laserul nu numai că poate fi ghidat, ci poate genera și un câmp de trezi în interiorul canalului curbat și poate accelera electronii”, explică Chen. „De obicei, acestea au fost găsite doar într-un canal de plasmă drept. Înseamnă că atât laserul, cât și electronii de înaltă energie pot fi ghidați într-un astfel de canal de plasmă curbat.”

Echipa crede că rezultatele sale timpurii reprezintă o piatră de hotar importantă. „Experimentul nostru arată cum electronii relativiști pot fi ghidați stabil de un canal de plasmă curbat, care este pasul critic al schemei noastre de accelerare a câmpului de trezi”, spune Chen. „În viitor, astfel de canale ar putea fi folosite pentru accelerarea câmpului de veghe și ghidarea electronilor.”

Dacă pot demonstra un număr mai mare de etape de accelerare folosind mai multe canale curbe, echipa lui Zhang speră că energiile de teraelectronvolt ar putea fi într-o zi la îndemână pentru LWFA la doar o fracțiune din dimensiunea și costul acceleratoarelor moderne de particule. „Pentru moment, putem spune că studiul nostru rezolvă un pas critic pentru accelerarea în faze a câmpului de trezire cu laser și arată potențialul pentru o sursă compactă de radiație sincrotron”, spune Chen.

Cercetarea este descrisă în Scrisori de recenzie fizică.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii