Laser R&D fokuserer på næste generation af partikelkolliderer

Et sæt nye lasersystemer og foreslåede opgraderinger ved Department of Energy's (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) vil drive langsigtede planer for en mere kompakt og overkommelig ultrahøj-energi partikelkolliderer.

Fremskridt med disse lasersystemer og laserdrevne acceleratorer kan også give mange spin-offs, såsom et nyt værktøj til at jage efter radioaktive materialer, og et miniaturiseret og meget afstembart fri-elektronlasersystem, der muliggør en række videnskabelige eksperimenter.

Disse bestræbelser er skitseret i en DOE-sponsoreret workshoprapport, der fokuserer på et sæt 10-årige køreplaner designet til at kickstarte R&D med at køre en næste generation af partikelkolliderer til højenergifysik. Det ultimative mål er en maskine, der er i stand til at udforske fysik uden for rækkevidde af CERNs Large Hadron Collider (LHC). Dagens mest kraftfulde kolliderer, LHC muliggjorde opdagelsen af ​​Higgs-bosonen, der resulterede i 2013 Nobelprisen i fysik.

LHC, med en hovedring 17 miles i omkreds, kolliderer protoner - subatomare partikler frigjort fra atomernes centrum - ved kollisionsenergier på op til 13 billioner elektronvolt (13 TeV).

I mellemtiden forslag til næste generation af lineære kollidere ville kollidere elektroner og deres antipartikler, positroner, ved lavere energier - fra nogle få hundrede milliarder elektronvolt (GeV) op til nogle få TeV. Og mens kollisionsenergierne for disse maskiner ville være lavere end LHC'ens, fysikken i deres elektron-positron-kollisioner ville være komplementær, muliggør mere specifik, detaljerede målinger for nogle partikelegenskaber og fænomener.

Det er muligt at bygge en elektron-positron-kolliderer på TeV-niveau med nutidens acceleratorteknologi, men det ville være dyrt på grund af dens store størrelse (dens fodaftryk ville sandsynligvis være mere end 20 miles).

I et forsøg på at reducere omfanget og de tilknyttede omkostninger ved en næste generations kolliderer, Office of High Energy Physics i DOE's Office of Science samlede mere end to dusin eksperter fra DOE og på tværs af landet for at udarbejde en Advanced Accelerator Development Strategy Report, der sætter mål for tre potentielt spilskiftende acceleratorteknologier over de næste 10 år.

Blandt andre anbefalinger rapporten fremhæver behovet for forskning og udvikling hos BELLA, Berkeley Lab Laser Accelerator, som er baseret på en af ​​disse tre teknologier:en laserdrevet plasma wakefield accelerator (LWFA). Denne form for acceleration bruger en laser eller lasere til at accelerere elektroner til høje energier.

To andre wakefield-accelerationskoncepter, der udvikles andetsteds - et til en partikelstråledrevet accelerator, den anden for en dielektrisk wakefield-accelerator - er også inkluderet i køreplanen.

Andre accelerationsteknikker er under udvikling, som ligger uden for rapportens rammer, herunder en R&D-indsats baseret på CERN kaldet AWAKE, der udforsker proton-drevet plasma wakefield acceleration.

De nye tilgange til partikelacceleration, der er godkendt i rapporten, tilbyder alle potentielle måder at formindske højenergipartikelacceleratorer ved at skabe kompakte, tætte bølger af plasmaer - dannet i varme, højt ladede gasser - der hurtigt accelererer bundter af præcist placerede elektroner som en surfer, der rider på en havbølge.

BELLA-forskere har allerede demonstreret et modulært LWFA-setup til at nå høje energier, og arbejder nu på at forbedre dette. Det kortsigtede mål skitseret i rapporten er at opnå elektronstråleenergier på 10 GeV, op fra BELLAs nuværende verdensrekord på 4,3 GeV.

"Når vi først har 10 GeV-stråler, vil det åbne op for en hel række nye ting. Det vil være et stort skridt fremad, sagde Wim Leemans, direktør for laboratoriets Accelerator Technology &Applied Physics Division. 10 GeV-målet er vigtigt, fordi det repræsenterer en energitærskel for generering af højladede positronstråler, som ville være påkrævet for en næste generations kolliderer.

LWFA-køreplanen, Leemans sagde, "giver os et anker i hele acceleratorprogrammet" skitseret for DOE's nationale laboratoriekompleks.

BELLA-teamet vil forfølge to forskellige tilgange til at nå dette 10 GeV-mål:en enkelt-accelerator-trinsopsætning ved hjælp af en enkelt laser, og en to-trins tilgang med to separate lasere.

Det første trin vil hæve elektronstråleenergien til 5 GeV, og det andet trin vil accelerere strålen yderligere 5 GeV, til 10 GeV. Den anden BELLA-strålelinje til to-stråle-opsætningen kunne konstrueres ved udgangen af ​​2018, som skitseret i køreplansrapporten, forudsat at der er midler til rådighed.

Rapporten bemærker, at ud over fremskridt inden for acceleratorteknologi, der skal også ske nye udviklinger inden for laserteknologi, og understøttende udstyr såsom spejle, at realisere denne nye type kolliderer.

BELLA bruger nu safirkrystaller doteret med titanium til at producere sit laserlys. For at opnå langt højere energier, og gennemsnitlig stråleeffekt, DOE-rapporten anbefaler at forfølge andre typer lasere, såsom optisk fiber, fast tilstand, eller kuldioxidlasere, blandt andre tilgange.

En vigtig teknologisk udfordring for BELLA er at få sine pulser til at løbe hurtigere, stigende fra en strømhastighed på omkring 1 puls pr. sekund til en hastighed på omkring 1, 000 i sekundet, eller 1 kilohertz (i en fremtidig udvikling kaldet "K-BELLA").

Ultimativt, en puls på 10, 000 eller 100, 000 pr. sekund ville være ideelt for en næste generations kolliderer, sagde Carl Schroeder, en seniorforsker fra Berkeley Lab, der leder teoretiske og modellerende indsatser for BELLA-eksperimenter og har arbejdet på konceptuelle designs og modellering for denne LWFA-kollider.

Hvis dens F&U-indsats lykkes, BELLAs maksimale energi skulle være tilstrækkelig til at nå 10 GeV accelerationsmilepælen, sagde Anthony Gonsalves, en ansat videnskabsmand fra Berkeley Lab, der arbejder på BELLA. "Vi har masser af plads i 'tanken' - der er en masse frihøjde i energi, som vi ikke engang har udforsket endnu."

Udover arbejdet med at udvikle en-stråle og to-stråle tilgange til en 10 GeV LWFA, laboratoriets udvikling af en ny, kompakt type fri-elektronlaser (FEL) og en separat bærbar gammastrålekilde - som skal begynde at teste næste år - kan være de første vigtige anvendelser af LWFA-teknologien, hvis indsatsen viser sig at være vellykket.

FEL'er er meget justerbare lyskilder, der kan hjælpe med at udforske stof ned til atom- og molekylskalaen med ultralyse pulser målt i femtosekunder, eller kvadrilliontedele af et sekund. FEL-projektet søger at miniaturisere røntgen-FEL'er ved at erstatte en kilometer lang konventionel accelererende struktur med en wakefield-accelerator, der er mindre end 10 meter lang.

Den plasmabaserede gammastrålekilde, i mellemtiden, kunne vise sig at være et nyttigt og bærbart værktøj til at opdage nukleare materialer.

Schroeder sagde, "FEL- og gammastrålekilden er anerkendt som tidlige anvendelser af denne teknologi. Lasersystemerne til disse eksperimenter vil blive taget i brug denne vinter.

"Køreplanen udstikker et rigt program for det næste årti, " tilføjede Leemans. "Nøglekoncepter udvikles mod fremtidige plasmabaserede kollidere, og BELLA, med opgraderinger, vil muliggøre test og udvikling af mange af disse koncepter."