Laserbor sætter ny verdensrekord i laserdrevet elektronacceleration

Ved at kombinere en første laserpuls for at varme op og "bore" gennem et plasma, og en anden til at accelerere elektroner til utrolig høje energier på kun ti centimeter, forskere har næsten fordoblet den tidligere rekord for laserdrevet partikelacceleration.

Laser-plasma eksperimenterne, udført ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), skubber i retning af mere kompakte og overkommelige typer partikelacceleration for at drive eksotiske, højenergimaskiner - som røntgenfrielektronlasere og partikelkollidere - der kunne gøre det muligt for forskere at se klarere på molekylernes skala, atomer, og endda subatomære partikler.

Den nye rekord for at fremdrive elektroner til 7,8 milliarder elektronvolt (7,8 GeV) ved Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center overgår et 4,25 GeV-resultat på BELLA annonceret i 2014. Den seneste forskning er beskrevet i den 25. februar-udgave af tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . Rekordresultatet blev opnået i løbet af sommeren 2018.

Eksperimentet brugte utrolig intense og korte "driver" laserimpulser, hver med en spidseffekt på omkring 850 billioner watt og begrænset til en pulslængde på omkring 35 kvadrilliontedele af et sekund (35 femtosekunder). Den maksimale effekt svarer til at tænde omkring 8,5 billioner 100-watt pærer samtidigt, selvom pærerne kun ville være tændt i snesevis af femtosekunder.

Hver intens driverlaserimpuls leverede et tungt "spark", der rørte en bølge op inde i et plasma - en gas, der er blevet opvarmet nok til at skabe ladede partikler, inklusive elektroner. Elektroner red på toppen af ​​plasmabølgen, som en surfer, der rider på en havbølge, at nå rekordstore energier inden for et 20 centimeter langt safirrør.

"Bare at skabe store plasmabølger var ikke nok, " bemærkede Anthony Gonsalves, hovedforfatteren af ​​den seneste undersøgelse. "Vi havde også brug for at skabe disse bølger over hele længden af ​​20-centimeter røret for at accelerere elektronerne til så høj energi."

For at gøre dette krævede en plasmakanal, som begrænser en laserimpuls på nogenlunde samme måde, som et fiberoptisk kabel kanaliserer lys. Men i modsætning til en konventionel optisk fiber, en plasmakanal kan modstå de ultra-intense laserimpulser, der er nødvendige for at accelerere elektroner. For at danne en sådan plasmakanal, du skal gøre plasmaet mindre tæt i midten.

I 2014-eksperimentet en elektrisk udladning blev brugt til at skabe plasmakanalen, men for at gå til højere energier havde forskerne brug for, at plasmaets tæthedsprofil var dybere - så det er mindre tæt i midten af ​​kanalen. I tidligere forsøg mistede laseren sit stramme fokus og beskadigede safirrøret. Gonsalves bemærkede, at selv de svagere områder af laserstrålens fokus - dens såkaldte "vinger - var stærke nok til at ødelægge safirstrukturen med den tidligere teknik.

Eric Esarey, BELLA Centerdirektør, sagde, at løsningen på dette problem var inspireret af en idé fra 1990'erne om at bruge en laserpuls til at opvarme plasmaet og danne en kanal. Denne teknik er blevet brugt i mange eksperimenter, inklusive en Berkeley Lab-indsats i 2004, der producerede højkvalitetsstråler, der nåede 100 millioner elektronvolt (100 MeV).

Både 2004-teamet og holdet involveret i den seneste indsats blev ledet af tidligere ATAP- og BELLA-centerdirektør Wim Leemans, som nu er på DESY-laboratoriet i Tyskland. Forskerne indså, at kombinationen af ​​de to metoder - og at sætte en varmestråle ned i midten af ​​kapillæren - yderligere uddyber og indsnævrer plasmakanalen. Dette gav en vej frem til at opnå højere energistråler.

I det seneste eksperiment, Gonsalves sagde, "Den elektriske udladning gav os udsøgt kontrol til at optimere plasmabetingelserne for varmeapparatets laserimpuls. Tidspunktet for den elektriske udladning, varme puls, og førerens puls var kritisk."

Den kombinerede teknik forbedrede radikalt indeslutningen af ​​laserstrålen, bevare intensiteten og fokus af kørelaseren, og begrænser dens pletstørrelse, eller diameter, til blot titusindvis af milliontedele af en meter, da den bevægede sig gennem plasmarøret. Dette muliggjorde brugen af ​​et plasma med lavere tæthed og en længere kanal. Den tidligere 4,25 GeV rekord havde brugt en 9-centimeter kanal.

Holdet havde brug for nye numeriske modeller (koder) for at udvikle teknikken. Et samarbejde, herunder Berkeley Lab, Keldysh Institute of Applied Mathematics i Rusland, og ELI-Beamlines-projektet i Tjekkiet tilpassede og integrerede flere koder. De kombinerede MARPLE og NPINCH, udviklet på Keldysh Institute, at simulere kanaldannelsen; og INF&RNO, udviklet på BELLA Center, at modellere laser-plasma-interaktionerne.

"Disse koder hjalp os til hurtigt at se, hvad der gør den største forskel - hvad er de ting, der giver dig mulighed for at opnå vejledning og acceleration, " sagde Carlo Benedetti, hovedudvikleren af ​​INF&RNO. Når det først viste sig, at koderne stemmer overens med de eksperimentelle data, det blev lettere at fortolke eksperimenterne, bemærkede han.

"Nu er det på det punkt, hvor simuleringerne kan lede og fortælle os, hvad vi skal gøre næste gang, " sagde Gonsalves.

Benedetti bemærkede, at de tunge beregninger i koderne trak på ressourcerne fra National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) ved Berkeley Lab. Fremtidigt arbejde, der skubber i retning af acceleration med højere energi, kan kræve langt mere intensive beregninger, der nærmer sig et regime kendt som exascale computing.

"I dag, de producerede stråler kunne muliggøre produktion og indfangning af positroner, "som er elektronernes positivt ladede modstykker, sagde Esarey.

Han bemærkede, at der er et mål om at nå 10 GeV-energier i elektronacceleration ved BELLA, og fremtidige eksperimenter vil målrette mod denne tærskel og derover.

"I fremtiden, flere højenergistadier af elektronacceleration kunne kobles sammen for at realisere en elektron-positron-kollider for at udforske fundamental fysik med ny præcision, " han sagde.