Ny laserteknik tillader mere kraftfulde - og mindre - partikelacceleratorer

Ved at observere elektroner, der er blevet accelereret til ekstremt høje energier, forskere er i stand til at låse op om partikler, der udgør vores univers.

Accelerere elektroner til så høje energier i laboratorieindstillinger, imidlertid, er udfordrende:typisk, jo mere energiske elektronerne, jo større er partikelacceleratoren. For eksempel, at opdage Higgs -bosonen - den nyligt observerede "Gudpartikel, "ansvarlig for massen i universet - forskere ved CERN -laboratoriet i Schweiz brugte en partikelaccelerator, der var næsten 17 miles lang.

Men hvad nu hvis der var en måde at nedskalere partikelacceleratorer på, producerer elektroner med høj energi på en brøkdel af afstanden?

I et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , forskere ved University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics (LLE) skitserede en metode til at forme intens laserlys på en måde, der accelererer elektroner til at registrere energier på meget korte afstande:forskerne vurderer, at acceleratoren ville være 10, 000 gange mindre end et foreslået setup, der registrerer lignende energi, reducere speederen fra næsten længden af ​​Rhode Island til længden af ​​et spisebord. Med sådan en teknologi, videnskabsfolk kunne udføre bordeksperimenter for at undersøge Higgs -bosonen eller undersøge eksistensen af ​​ekstra dimensioner og nye partikler, der kunne føre til Albert Einsteins drøm om en stor samlet teori om universet.

"Elektronerne med højere energi er nødvendige for at studere grundlæggende partikelfysik, "siger John Palastro, en videnskabsmand ved LLE og papirets hovedforfatter. "Elektronacceleratorer giver et glas til en subatomær verden beboet af universets grundlæggende byggesten."

Selvom denne forskning i øjeblikket er teoretisk, LLE arbejder på at gøre det til virkelighed gennem planer om at konstruere den højest drevne laser i verden på LLE. Laseren, at få navnet EP-OPAL, vil give forskerne mulighed for at skabe de ekstremt kraftfulde skulpturelle lysimpulser og teknologi, der er beskrevet i dette papir.

Elektronacceleratoren, som forskerne skitserede, er afhængig af en revolutionerende teknik til at forme formen af ​​laserpulser, så deres toppe kan rejse hurtigere end lysets hastighed.

"Denne teknologi kunne tillade elektroner at blive accelereret ud over det, der er muligt med nuværende teknologier, "siger Dustin Froula, en seniorforsker ved LLE og en af ​​papirets forfattere.

For at forme laserpulserne, forskerne udviklede et nyt optisk setup, der lignede et cirkulært amfiteater med "trin" i bølgelængde, der blev brugt til at skabe en tidsforsinkelse mellem koncentriske lysringe leveret fra en laser med høj effekt.

En typisk linse fokuserer hver lysring fra en laser til en enkelt afstand fra linsen, danner et enkelt sted med højintensitetslys. I stedet for at bruge en typisk linse, imidlertid, forskerne bruger en eksotisk formet linse, hvilket giver dem mulighed for at fokusere hver lysring til en anden afstand fra linsen, skabe en linje med høj intensitet frem for et enkelt sted.

Når denne skulpturelle lyspuls kommer ind i et plasma - en varm suppe af frit bevægelige elektroner og ioner - skaber det et vække, ligner kølvandet bag en motorbåd. Denne vågne formerer sig med lysets hastighed. Ligesom en vandski -skiløber, der kører i en båds kølvandet, elektronerne accelererer derefter, når de kører i kølvandet på de skulpturerede laserlyspulser.

Disse "laser wakefield acceleratorer" (LWFA) blev først teoretiseret for næsten 40 år siden, og blev fremført ved opfindelsen af ​​chirped-puls amplifikation (CPA), en teknik udviklet på LLE af 2018 -nobelprismodtagere Donna Strickland og Gerard Mourou.

Tidligere versioner af LWFA, imidlertid, brugt traditionel, ustrukturerede lysimpulser, der formerer sig langsommere end lysets hastighed, hvilket betød, at elektronerne ville overgå kølvandet, begrænser deres acceleration. De nye skulpturelle lysimpulser muliggør hurtigere hastigheder end lys, så elektroner kan køre i kølvandet på ubestemt tid og blive kontinuerligt accelereret.

"Dette arbejde er ekstremt innovativt og ville være en spilskifter for laseracceleratorer, "siger Michael Campbell, direktør for LLE. "Denne forskning viser værdien af ​​teoretisk og eksperimentel plasmafysik, der arbejder tæt sammen med fremragende laserforskere og ingeniører - det repræsenterer det bedste fra LLE -kulturen."