Ny facilitet til at revolutionere partikelacceleratorer nu i drift

En ny facilitet, der kan bane vejen for en fremtidig generation af partikelkollidere og kraftige lyskilder, er tændt på Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory. Fungerer som en DOE-brugerfacilitet, FACET-II er den eneste facilitet i verden, der er i stand til at levere højenergi-elektron- og positronstråler til forskning i en bred vifte af revolutionerende acceleratorteknologier, der kan skrumpe fremtidige acceleratorer med faktorer på 100 til 1, 000 og skærpe deres muligheder.

"Partikelacceleratorer er de ultimative mikroskoper, " siger Mark Hogan, FACET-II projekt videnskabsmand. "Vi kan bruge dem til at lave højenergistråler, som vi kan kollidere for at forstå de mindste partikler og de kræfter, der holder universet sammen, eller vi kan vrikke strålerne frem og tilbage for at skabe kraftige udbrud af røntgenstråler, der giver os mulighed for at tage billeder af ultrasmå, ultrahurtige atomprocesser for at forstå biologi og kemi. FACET-II vil hjælpe os med at udvikle nye teknologier, der vil give os mulighed for at bygge maskiner, der er mindre, billigere og mere kraftfuld."

Surfen er oppe

Projektet er en opgradering til Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET), en DOE Office of Science-brugerfacilitet, der fungerede fra 2011 til 2016, da anlægget blev nedlagt for at gøre plads til opgraderinger af laboratoriets røntgenfri-elektronlaser, Linac Coherent Light Source (LCLS). FACET-II bygger på succeserne fra FACET, hvor forskere demonstrerede, at en teknik kaldet plasma wakefield acceleration kan booste energien af ​​elektroner og deres antistofpartikler, positroner. I denne metode, forskere sender en masse højenergipartikler gennem en varm ioniseret gas, eller plasma, skabe et plasma-wake for en efterfølgende flok at "surfe" på, rampe op til ekstremt høje energier på kort afstand.

I konventionelle acceleratorer, partikler trækker energi fra et radiofrekvensfelt inde i metalstrukturer. Da disse strukturer kun kan understøtte en begrænset energiforøgelse pr. afstand, før de brydes ned, acceleratorer skal være ekstremt lange for at nå højere energier og er dyre at bygge. Plasma wakefield-tilgangen har potentialet til dramatisk at reducere størrelsen og omkostningerne ved partikelacceleratorer. Fremtidige plasmaacceleratorer kunne, for eksempel, udfolde den samme accelerationskraft som SLAC's 2-mile lange lineære kobberaccelerator (linac) på få meter.

Den næste generation

I løbet af to år, besætninger hos SLAC installerede en state-of-the-art elektronkilde med høj lysstyrke og nye elektronbundkompressorsystemer til at producere intense stråler. De opgraderede også anlæggets kontrolsystemer og installerede værktøjer til at analysere stråleegenskaberne.

FACET-II vil producere stråler af meget energiske elektroner som sin forgænger, men med endnu bedre kvalitet. Det nye anlæg bruger en tredjedel af SLAC-linac'en - der sender elektroner fra kilden i den ene ende til forsøgsområdet i den anden ende - til at generere en elektronstråle med en energi på 10 milliarder elektronvolt. Dens design giver også forskere mulighed for at tilføje evnen til at producere og accelerere positroner, som ville give forskere mulighed for at få mere indsigt i plasma wakefield acceleration og informere udviklingen af ​​plasma-baserede elektron-positron partikel kollidere, som ville forbedre vores forståelse af naturens grundlæggende partikler og kræfter.

"Hvis vi skal bruge plasma wakefield acceleration til at lave en elektron-positron kolliderer til højenergifysik, vi skal først forstå, hvordan man accelererer positroner i plasma, " siger Hogan. "SLAC er det eneste laboratorium med den nødvendige infrastruktur til at levere positronstråler til denne forskning. Vi håber at bringe denne mulighed online i de næste par år, som vil adskille FACET-II fra enhver anden facilitet i verden."

Anlægget vil også hjælpe forskere med at designe en ny generation af lyskilder, såsom lysere end nogensinde før røntgenlasere, og føre til forbedringer af eksisterende røntgenlasere, såsom LCLS. Disse kraftfulde opdagelsesmaskiner giver videnskabsfolk uovertruffen udsigt over den evigt foranderlige atomverden og åbner nye veje, der spænder fra højenergifysik til medicin og giver potentielle fordele for forskning i materialer, biologisk og energividenskab.

"At tænde for FACET-II er som at åbne en dør, som ingen nogensinde har kigget efter, " siger projektdirektør Vitaly Yakimenko, FACET divisionsdirektør og vicedirektør for videnskab i SLAC's Accelerator Division. "Det vil producere elektronstråler hundrede gange mere intense end noget, der kom før og skabe helt nye videnskabelige muligheder."

Presser innovation

Som en DOE-brugerfacilitet, FACET-II vil fungere omkring seks måneder om året, leverer stråle til omkring 25 eksperimenter og er vært for omkring 250 forskere fra universiteter, industri og andre nationale laboratorier.

I de kommende måneder, FACET-II-programmets rådgivende udvalg vil kontrollere klarheden af ​​de indledende eksperimenter, der blev valgt til stråletid, og gennemgå en anden runde af forslag til at gå i køen for kommende videnskab. Til og med januar, teams vil arbejde på at bringe alle dele af FACET-II online og få strålen til den rigtige energi og kvalitet. Efterhånden som teams installerer ny eksperimentel hardware, brugere vil arbejde parallelt for at sikre, at alt fungerer korrekt og opfanger de rigtige signaler.

I de første forsøg, forventes at starte i februar, forskere vil undersøge måder at bevare strålekvaliteten på, forbedre plasma wakefield accelerationsteknikker og generere og accelerere positroner. De vil også udvikle Trojan Horse-II, en opdatering til en eksisterende teknik, der kan producere en intens elektronstråle ved at "snige" elektroner ind i plasma.

FACET-II kunne også potentielt give indsigt i ny og uventet fysik såsom gammastråleudbrud, den mest energiske form for elektromagnetisk stråling, og stærkfelt kvanteelektrodynamik (QED), som begge spiller en vigtig rolle i ekstreme astrofysiske fænomener som kosmiske stråler og eksploderende stjerner.

Andre videnskabelige mål inkluderer kompakte wakefield-acceleratorer, der bruger visse elektriske isolatorer i stedet for plasma, samt maskinlæringsteknikker, der nøjagtigt vil måle og simulere fysikken i disse kraftige elektronstråler for at hjælpe forskere med at forstå og kontrollere de ultrakorte bundter, øge effektiviteten og den videnskabelige produktivitet af brugerprogrammerne.

"Vores laboratorium blev bygget på acceleratorteknologi og fortsætter med at skubbe innovationer på området, " siger Bruce Dunham, leder af SLAC's acceleratordirektorat. "FACET-II er en banebrydende facilitet, der vil hjælpe med at holde os på forkant med acceleratorvidenskaben."