แหล่งโพซิตรอนใหม่สามารถช่วยเพิ่มอัตราการชนกันของเลปตันได้ - Physics World

แหล่งโพซิตรอนใหม่สามารถช่วยเพิ่มอัตราการชนกันของเลปตันได้ - Physics World

Time Stamp: 9 กุมภาพันธ์ 2024 3:52 น.

โซลินอยด์ตัวนำยิ่งยวด
ความก้าวหน้าทางโพซิโทรนิก: Henrique Garcia Rodrigues จาก PSI ปรับโซลินอยด์ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงที่ถูกสร้างขึ้นเพื่อเป็นส่วนหนึ่งของแหล่งกำเนิดโพซิตรอนใหม่ (เอื้อเฟื้อโดย: สถาบัน Paul Scherrer/Markus Fischer)

การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์และการทดลองในห้องปฏิบัติการที่ทำในสวิตเซอร์แลนด์ได้พัฒนาการออกแบบแหล่งกำเนิดโพซิตรอนชนิดใหม่ที่สามารถใช้ในเครื่องชนเลปตันรุ่นต่อไปได้ เช่น ที่เสนอ อนาคต Circular Collider (FCC) ที่เซิร์น พัฒนาโดย นิโคลัส วาลลิส และเพื่อนร่วมงานที่สถาบัน Paul Scherrer (PSI) การออกแบบนี้ใช้แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงเพื่อรวบรวมโพซิตรอนและเน้นไปที่ลำแสงแคบ ทีมงานกล่าวว่าแหล่งที่มาสามารถดำเนินการได้อย่างสมบูรณ์ภายในปี 2026

แหล่งที่มาของโพซิตรอนสำหรับเครื่องเร่งความเร็วขึ้นอยู่กับผลกระทบที่เรียกว่าการผลิตคู่ โดยที่โฟตอนพลังงานสูงจะทำปฏิกิริยากับนิวเคลียสของอะตอมเพื่อสร้างโพซิตรอนและอิเล็กตรอน โดยปกติจะทำได้โดยการยิงลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูงไปยังเป้าหมายที่เป็นของแข็งที่มีความหนาแน่นสูง อิเล็กตรอนที่ถูกอะตอมในเป้าหมายเบี่ยงเบนไปจะแผ่โฟตอนออกมา ซึ่งจากนั้นจะมีอันตรกิริยากับอะตอมเป้าหมายอื่นๆ เพื่อสร้างคู่อิเล็กตรอน/โพซิตรอน

แม้ว่าวิธีนี้จะสร้างโพซิตรอนจำนวนมาก แต่พวกมันก็บินออกไปหลายทิศทาง หากโพซิตรอนถูกกำหนดไว้เพื่อใช้ในเครื่องเร่งอนุภาค จะต้องรวบรวมและเพ่งความสนใจไปที่ลำแสง กระบวนการนี้ไม่มีประสิทธิภาพมากนัก โดยสูญเสียโพซิตรอนส่วนใหญ่

ความท้าทายทางแม่เหล็กและทางกล

ปัจจุบัน การรวบรวมและการเพ่งความสนใจทำได้โดยใช้แม่เหล็กไฟฟ้าที่เรียกว่าโซลินอยด์ “อย่างไรก็ตาม ความแข็งแกร่งของแม่เหล็กแบบธรรมดา แม้จะอยู่ในช่วงหลายเทสลา ก็ช่วยให้จับโพซิตรอนที่สร้างขึ้นได้ในสัดส่วนเพียงเล็กน้อยเท่านั้น” วาลลิสอธิบาย “ยิ่งกว่านั้น การใช้กลไกของพวกมันขัดแย้งกับเป้าหมาย ทำให้เป้าหมายอยู่ห่างจากตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุดภายในสนามแม่เหล็ก”

การสร้างแหล่งโพซิตรอนที่ดีขึ้นเป็นเป้าหมายของนักฟิสิกส์และวิศวกรที่ทำงานเกี่ยวกับการออกแบบเครื่องชนเลปตันในอนาคต ซึ่งรวมถึง International Linear Collider และ FCC เวอร์ชันหนึ่งที่เรียกว่า FCC-ee ซึ่งจะชนโพซิตรอนกับอิเล็กตรอน การผลิตโพซิตรอน PSI หรือการทดลอง P-cubed เป็นหนึ่งในความพยายามในการออกแบบ

“หนึ่งในความท้าทายที่เราเผชิญคือการผลิต จับ และขนส่งโพซิตรอนในปริมาณที่สูงเพียงพอเพื่อให้ได้ความสว่างที่ต้องการ” วาลลิสอธิบาย "P-cubed แก้ไขปัญหานี้และเสนอแหล่งโพซิตรอนใหม่และระบบการจับที่มีศักยภาพในการเพิ่มผลผลิตโพซิตรอนในปัจจุบันตามลำดับความสำคัญ"

ความก้าวหน้าล่าสุด

แนวทางของทีมขึ้นอยู่กับความก้าวหน้าล่าสุดในโซลินอยด์ที่ทำจากตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง (HTS) สิ่งเหล่านี้สามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้สูงกว่าโซลินอยด์ที่ใช้ตัวนำแบบธรรมดามาก

ในการวิจัยล่าสุด Vallis และเพื่อนร่วมงานได้บรรยายถึงวิธีการนำแหล่งกำเนิดโพซิตรอนต้นแบบไปใช้ที่เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระรังสีเอกซ์ SwissFEL ของ PSI พัลส์จาก SwissFEL จะเร่งกลุ่มอิเล็กตรอนไปยังเป้าหมายที่มั่นคงซึ่งจะถูกล้อมรอบด้วยโซลินอยด์ HTS ใหม่ จากนั้นสนามแม่เหล็กของโซลินอยด์จะโฟกัสโพซิตรอนไปที่เครื่องเร่งช่อง RF สองตัวที่ต่อเนื่องกันเพื่อสร้างลำแสงโพซิตรอน

นอกจากสนามแม่เหล็กแรงสูงของโซลินอยด์แล้ว Vallis ยังกล่าวอีกว่า “การออกแบบทางกลช่วยให้เป้าหมายจุ่มลงในสนามแม่เหล็กได้เต็มที่ ทำให้มีสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการจับโพซิตรอน”

การปรับปรุงเพิ่มเติม

ด้วยการตั้งค่านี้ นักวิจัยยังสามารถตรวจสอบว่าส่วนประกอบอื่นๆ สามารถช่วยเพิ่มผลผลิตโพซิตรอนได้อย่างไร ซึ่งรวมถึงช่องเร่งรูรับแสงขนาดใหญ่ และการจัดเรียงเครื่องมือตรวจจับแบบใหม่ ขณะนี้การทดลอง P-cubed กำลังได้รับการติดตั้งที่ SwissFEL และจะเริ่มดำเนินการได้ในต้นปี 2026

“หากผลการทดลองเป็นไปตามความคาดหวังของเรา P-cubed จะสาธิตแหล่งกำเนิดโพซิตรอนใหม่และระบบการจับที่มีประสิทธิภาพเหนือกว่าประสิทธิภาพของรุ่นก่อนตามลำดับความสำคัญ” Vallis กล่าว “ยิ่งไปกว่านั้น ผู้เชี่ยวชาญด้านแม่เหล็กที่ PSI ประสบความสำเร็จในการสร้างต้นแบบโซลินอยด์ HTS ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของการทดลอง และวัดสนามแม่เหล็กสูงสุดได้ประมาณ 18 T” เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว สนามแม่เหล็กต่อเนื่องที่รุนแรงที่สุดเท่าที่เคยสร้างมาในห้องปฏิบัติการมีค่ามากกว่า 45 T เล็กน้อย

“P-cubed จะเป็นหนึ่งในแหล่งโพซิตรอนไม่กี่แหล่งที่เหมาะสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคทั่วโลก และเป็นสถานที่ที่มีเอกลักษณ์เฉพาะในยุโรป ดังนั้นเราจึงต้องการพัฒนาศักยภาพและขีดความสามารถด้านนวัตกรรมอย่างเต็มที่” เขากล่าว "ตัวอย่างเช่น เราจะทดสอบแนวคิดใหม่ๆ มากมาย เช่น การใช้เป้าหมายคริสตัลและทรงกรวยเพื่อการผลิตโพซิตรอนที่ได้รับการปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้น"

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน ตัวเร่งและลำแสงการตรวจทานทางกายภาพ.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์