Opgraderet laserfacilitet baner vejen for næste generation af partikelacceleratorer

Forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har gennemført en større udvidelse af et af verdens mest kraftfulde lasersystemer, hvilket skaber nye muligheder inden for acceleratorforskning for fremtiden for højenergifysik og andre områder. Udvidelsen skabte en anden strålelinje til petawatt-laseren ved Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center, hvilket muliggør udviklingen af ​​næste generation af partikelacceleratorer til applikationer inden for videnskab, medicin, sikkerhed og industri. Den anden beamline kom online denne sommer og er kulminationen på flere års planlægning, design og ingeniørarbejde udført af BELLA og ingeniørteams.

"Vi er glade for at se byggeriet færdiggjort og er meget ivrige efter at begynde den brede vifte af spændende eksperimenter, der er muliggjort af den anden beamline," sagde Eric Esarey, direktør for BELLA Center.

Brug af lys til at flytte partikler

Traditionelle acceleratorer bruger radiofrekvente elektromagnetiske felter til gradvist at fremskynde partikler over afstande på titusvis af kilometer og har en tendens til at være enorme og meget dyre som følge heraf. For eksempel accelererer Large Hadron Collider ved CERN, den berømte internationale partikelaccelerator, partikler langs en cirkulær bane på over 16 miles lang, en monumental præstation, der koster milliarder af dollars at bygge og drive.

På BELLA Center accelererer forskere ladede partikler med elektriske felter, der genereres af en højkraftig laser, der interagerer med et plasma, og skaber det, der er kendt som en laserplasmaaccelerator (LPA). Holdet bruger en én-petawatt laser, der producerer en stråle af meget korte impulser eller "kugler" af lys, en i sekundet, som hver er omkring hundrede gange stærkere end et typisk lyn. Når laserstrålen passerer gennem plasma (en gaslignende suppe af ladede partikler), sætter den en bevægende bølge op, og en ladet partikel, der er placeret i den bølge, drives derefter fremad, som en surfer på en havbølge. Denne "wakefield"-tilgang kan producere accelerationshastigheder op til tusind gange større end konventionelle acceleratorer, hvilket gør LPA'er til en lovende kandidat til den næste generation af mindre, billigere acceleratorer.

Et kraftfuldt værktøj til udvikling af acceleratorteknologi

Den anden strålelinje blev designet til at være meget tunerbar, i stand til at producere en bred vifte af laserpunktstørrelser med pulsvarigheder og pulsenergier, der kan varieres uafhængigt. De to beamlines er beregnet til at blive brugt i tandem, hvilket gør systemet til et kraftfuldt og alsidigt værktøj til udvikling af videnskab og acceleratorteknologi. For at skabe den nye strålelinje splittede holdet en del af hovedlaserstrålen af ​​og kørte den gennem en række optik for at generere en anden stråle af korte, kraftige lysimpulser, der kan skabe et andet vågenfelt.

Systemet blev især designet til at muliggøre holdets vision om at iscenesætte flere LPA-moduler for at nå de høje elektronstråleenergier, der er nødvendige for partikelkolliderer, ved at bruge wakefield fra den anden strålelinje til yderligere at accelerere partikler, der kommer fra den første. Indledende eksperimenter for at nå dette mål er i gang. I deres langsigtede vision foreslår teamet at stable yderligere laserdrevne moduler for at skabe acceleratorer med ekstrem høj energi, hvilket muliggør den næste generation af fysikopdagelser til en brøkdel af prisen og størrelsen.

Som et eksempel kan metoder til at øge energieffektiviteten af ​​LPA'er også udforskes med de dobbelte beamlines. Den anden beamline-laserimpuls kan konfigureres til at absorbere enhver resterende energi i det første beamline-plasma, som ikke bruges af accelerationsprocessen og derefter sendes til et energigenvindingssystem. Marlene Turner, en videnskabsmand i BELLA Center, modtog en prestigefyldt pris for tidlig karriere fra DOE for at arbejde på dette koncept. "Uden den anden strålelinje ville min forskning, som har til formål at reducere strømforbruget og miljøpåvirkningen af ​​fremtidige plasmakollidere, ikke være mulig," sagde Turner.

De dobbelte strålelinjer kan også bruges i andre konfigurationer. For eksempel kan den anden strålelinje bruges til at accelerere partikler for at sprede dem fra den første strålelinje, hvilket gør det muligt for fysikere at undersøge den eksotiske fysik, der opstår.

"Den præcision, som disse to laserstrålelinjer bringer, kombinerer femtosekund-timing og mikron-skala rumlig nøjagtighed, er hidtil uset ved spidseffektniveauer i petawatt-klassen og vil muliggøre eksperimenter med LPA iscenesættelse såvel som andre fremskridt inden for plasmaacceleration, såsom lasertilpasning af plasmaaccelererende strukturer, laserbaserede metoder til partikelinjektion, højenergifotonproduktion ved laserspredning og grundlæggende undersøgelser i højfelts kvanteelektrodynamik," sagde Tony Gonsalves, den ledende videnskabsmand på BELLA petawatt-teamet. "Det er en stor sag."

Kraften ved teamvidenskab

Berkeley Lab er kendt som et kraftcenter inden for teamvidenskab, og dette nye BELLA-projekt eksemplificerede denne etos. På et hvilket som helst tidspunkt omfatter kerneteamet, der arbejder på dette projekt, ti til femten maskiningeniører, elektroingeniører og forskere samt en roterende rollebesætning af andre nøglespillere, herunder radiologiske sikkerhedsspecialister og seismiske ingeniører. Dette har sikret, at to-laser-beamline-opgraderingen ikke kun skaber state of the art videnskab, men udføres på en sikker, velkonstrueret og holdbar måde, der vil muliggøre fortsat produktivitet i mange år fremover.

Holdet stødte på deres rimelige andel af udfordringer på grund af COVID-19-pandemien, som midlertidigt lukkede deres anlæg ned. Efter det var genåbnet, skulle holdet arbejde på skift ved at bruge et billetsystem for at opretholde sikker tæthed af arbejdere. Bare det at hente et team af franske ingeniører til at installere et kompressorkammer tog den største del af et år på grund af pandemi-relaterede restriktioner.

"Det har været en lang vej at få det her i gang, og en meget længere vej på grund af COVID," sagde Gonsalves. "Hvis du skulle tælle, hvor mange mennesker der har rørt ved dette projekt, ville det være et meget stort antal. Vi er heldige at have denne imponerende infrastruktur af mennesker på laboratoriet til at gøre et projekt som dette muligt."

Eksotisk fysik og hverdagsapplikationer

Partikelkollidere er opdagelsesværktøjer, som videnskabsmænd bruger til at undersøge stoffets struktur ved at smadre partikler sammen med nok energi til at bryde dem fra hinanden, hvilket hjælper os med at forstå, hvad universet er lavet af, og de kræfter, der holder det sammen. Det ultimative mål med den nye beamline er at udvikle en ny acceleratorteknologi, der vil gøre det muligt for kollidere at nå højere energier. Disse spørgsmål går langt ud over at undersøge synligt stof, som faktisk udgør en lille brøkdel af universet. Der er fem gange mere usynligt mørkt stof i universet end synligt stof, og højere energiacceleratorer kan muligvis producere tunge mørkt stofpartikler, så deres egenskaber kan studeres.

Det nationale sikkerhedsfelt er også opmærksom på denne udvikling inden for ny acceleratorteknologi. Nuværende teknologier til screening for nukleare materialer i havne, for nukleare traktater og andre anvendelser er begrænset i præcision. Laserbaseret acceleratorteknologi kunne dog bruges til at producere de afstembare gammastråler eller højenergi-muoner, der er nødvendige for nøjagtigt at detektere nukleare forbindelser eller andre materialer, og teknologien kunne passe ind i en lille, bærbar enhed.

Grundlæggende studier i materialevidenskab vil også have stor gavn af udviklingen af ​​kompakte kilder til lys med kort bølgelængde, såsom røntgenstråler, drevet af LPA'er. Da LPA'en i sig selv producerer korte elektronbundter, i størrelsesordenen femtosekunder, er de ideelle til at sondere materialer på ultrahurtige tidsskalaer.

En anden spændende anvendelse af laseracceleration er i cancerstrålebehandling, hvor det medicinske samfund finder ud af, at kortere doser af stærkere stråling gør mindre skade på sundt væv, kendt som "flash-effekten". Disse lasersystemer kan revolutionere strålebehandling.

"Jeg er meget begejstret for at se den brede vifte af videnskab og applikationer, der aktiveres af den anden BELLA-strålelinje. Disse er tværgående og kan påvirke en række programmer i Office of Science, Department of Defense, National Institutes of Sundhed såvel som i industrien," sagde Cameron Geddes, direktør for Accelerator Technology and Applied Physics Division i Berkeley Lab. + Udforsk yderligere

Verdensrekordacceleration:nul til 7,8 milliarder elektronvolt i 8 tommer