Krympende partikelacceleratorer med kold plasma og en stor picnickurv

Femogtyve fod under jorden åbner SLAC National Accelerator Laboratory-forsker Spencer Gessner en stor metal-picnickurv. Dette er ikke din typiske picnickurv fyldt med ost, brød og frugt – den indeholder skruer, bolte, stålrør og mange andre dele og stykker, der transporterer partikler til næsten lysets hastighed. Komponenterne er arrangeret præcist til at udføre et vigtigt stykke arbejde:hjælpe med at tilføre bundter af hurtigt bevægende elektroner ind i de ting, som solen er lavet af:plasma.

"Vi forsøger at bygge den næste generation af små, kraftige partikelacceleratorer hernede," siger Gessner. "Målet er at skubbe partikler til højere energier på kortere afstande. Dette kan hjælpe med at designe kompakte acceleratorer, der passer inde i et universitetslaboratorium eller et hospital – eller være en mulighed for en højenergipartikelkolliderer i fremtiden."

Gessner og mange andre forskere ved SLAC og rundt omkring i verden ønsker at gøre fremtidige acceleratorer 100 til 1.000 gange mindre end traditionelle acceleratorer. Målet er ikke nødvendigvis at erstatte de mest kraftfulde acceleratorfaciliteter i verden, men snarere give en ny mulighed for mennesker og steder, der leder efter adgang til acceleratorvidenskab, og potentielt forbedre eksisterende state-of-the-art acceleratorer. For eksempel kunne mindre, mindre kraftfulde røntgenfrielektronlasere (XFEL'er) være et avanceret videnskabeligt værktøj til at udforske stof på atomare skala i hænderne på mange flere videnskabsmænd.

Gessner arbejder på SLAC's Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests II (FACET-II), som primært er fokuseret på en teknik kaldet plasma wakefield acceleration. I plasma wakefield-acceleration sender forskere stråler af partikler gennem plasma - en ekstremt varm ioniseret gas, der ofte er lavet af helium- eller brintioner, som solen.

"Når strålen går gennem plasmaet, skabes et kølvandet - svarende til kølvandet, der skabes bag en båd, der suser gennem vand på en sø," sagde Gessner. "Vi kan derefter injicere elektroner i plasma-vågen, og disse partikler rider på bølgen og når højere energier over kortere afstande."

FACET-II bruger en del af SLACs to kilometer lange lineære accelerator til at generere disse elektronstråler. På deres højeste er bjælkerne så intense, at intet materiale kan modstå dem. Strålens ekstreme felter ville rive elektroner af atomer og øjeblikkeligt fordampe ethvert materiale i en stråles vej. Løsningen er at starte med et plasma i første omgang, som fjerner begrænsningerne ved konventionelle materialer og tillader meget høj acceleration.

Men at skubbe partikler til ekstremt høje energier på kortere afstande giver mange udfordrende problemer. Forskere fortsætter med at gøre fremskridt i retning af at løse disse problemer og gøre det, der kunne lyde som science fiction, til virkelighed.

Fortid og fremtid i plasmaacceleration

Det eksperimentelle arbejde med plasma wakefield acceleration startede hos SLAC for omkring tyve år siden, selvom det generelle koncept var blevet talt om i aviser siden slutningen af ​​1970'erne og begyndelsen af ​​1980'erne. Der er tre hovedtyper af plasma wakefield forskning, der foregår rundt om i verden, grupperet efter den strømkilde, der skaber kølvandet:enten en elektronstråle, en højeffekt laserstråle eller en protonstråle.

Et af de første spørgsmål, forskerne skulle svare på, var, om det overhovedet var muligt at gøre den teoretiske idé om plasmavågefelter til virkelighed i laboratoriet, sagde FACET-II-direktør Mark Hogan. Forskere var i stand til at udføre denne opgave på SLAC i slutningen af ​​1990'erne og var de første til at bryde GeV-barrieren, som er det energiniveau, der typisk kun er forbundet med meget store installationer. De tog en håndfuld elektroner og accelererede dem med meget høje energier ved hjælp af plasmavågefelter.

Hogan sagde, at forskere derefter konfronterede det næste store spørgsmål:hvordan man går fra en håndfuld partikler med et bredt energiområde til en stråle af partikler med en relativt lav energispredning. Det betyder at sikre, at elektroner ikke bliver spredt rundt overalt i en accelerator, men i stedet rejser sammen i en tæt pakke. Forskere udførte denne opgave i 2010'erne på FACET, faciliteten forud for FACET-II, sagde Hogan.

"Så nu er spørgsmålet for FACET-II, om du kan gøre alle disse ting på én gang - udnytte de store felter til at lave højenergistråler med lav energispredning - og også lave en højkvalitetsstråle over længere afstande," sagde Hogan . "Dette er et nøglespørgsmål, vi undersøger lige nu på FACET-II:Kan vi bevare kvaliteten af ​​elektronstråler, når vi øger deres energi meget hurtigt over meningsfulde afstande?"

Ser man endnu længere frem, bliver forskerne nødt til at finde ud af, hvordan man sætter mange plasmaacceleratorsektioner sammen for at opnå utrolig høje energier, der er nødvendige for fremtidens kolliderpartikelfysik. "Mens at bygge en XFEL, der er afhængig af plasma wakefield acceleration, har du måske kun brug for et plasmatrin, for at nå energi på partikelkolliderniveau, har du brug for mange stadier," sagde Hogan.

Styring af strålens lysstyrke

Tidligere på året tog et hold fra SLAC, University of Strathclyde og andre institutioner et stort fremskridt inden for plasma wakefield acceleration forskning. De udviklede en computersimulering, der viste, hvordan en plasmaaccelerator kan generere præcise elektronstråler af høj kvalitet ved at kontrollere en stråles lysstyrke.

Håndtering af strålelysstyrke er udfordrende, fordi der er tre nøgleparameterværdier, der ændrer sig væsentligt over den sti, som partiklerne bevæger sig på. Holdets model viste, hvordan man optimerer disse parametre lige fra starten af ​​eksperimentet, når strålen stadig er i plasmaet.

Specifikt beregnede forskerholdet, hvordan man styrer elektronens lysstyrke ved at kontrollere strålestrømmen, som beskriver, hvor mange elektroner strålen består af; emittans, som er hvordan elektronerne spredes ud, når de udbreder sig gennem rummet; og energispredning, som beskriver rækkevidden af ​​elektronernes hastigheder. De offentliggjorde deres resultater i Nature Communications .

"Med denne model kan vi teste, hvordan vi forbedrer elektronstråleemittans og lysstyrke i vores kompakte design, måske i størrelsesordener," sagde Hogan, en medforfatter på papiret. "At udvinde elektronstråler fra plasmaacceleratorer og samtidig bevare deres kvalitet er afgørende for vores højenergifysikmission såvel som for røntgenvidenskab."

I fremtiden vil forskere forsøge at bygge hybride konfigurationer af en kompakt XFEL - en version, der kunne give mulighed for interaktion mellem flere røntgenlaserimpulser og ultralyse stråler. FACET-II kunne være stedet for at teste disse hybridideer, nu hvor start-til-ende simuleringsrammerne er etableret, sagde forskerne.

Indstilling af en lang scene

Endnu et skridt fremad inden for forskning i plasma-wakefield-acceleration kom for nylig, da forskere viste, hvordan man sammenkæder plasmaacceleratortrin for at lave en længere, mere kraftfuld accelerator. Denne type accelerator kan bruges i fremtiden til at skabe ekstremt højenergistråler ved en partikelkolliderer.

Forskerholdet, som omfattede SLAC-forsker Alexander Knetsch og forskere fra The Polytechnic Institute of Paris og andre intuitioner, viste, hvordan man bruger flere drivstråler til at opretholde strålekvaliteten og øge energien.

I deres metode leder en drivstråle vejen gennem plasmaet og skaber et kølvandet - standardideen inden for plasmavågefeltacceleration. Bag denne drivstråle følger den primære elektronstråle, kaldet den efterfølgende stråle, som vil blive skubbet til høje energier til eksperimenter - igen standardtilgangen. Men over tid mister drivbjælken energi - ligesom en ledende cyklist mister energi efter at have kæmpet mod vinden for rytterne bagved. Forskerholdet viste derfor, hvordan man sub-out den gamle, trætte drivbjælke med en ny, frisk drivbjælke. Denne teknik hjælper den efterfølgende elektronstråle med at fortsætte med at få energi.

Det er dog sværere at skifte den gamle kørebjælke ud med en ny end at skifte en førende cyklist ud i et cykelløb. Den gamle drivstråle bevæger sig stadig med næsten lysets hastighed, så for at foretage skiftet bruger metoden dipolmagneter, der danner en chikane - det vil sige to veje, den ene længere end den anden, der mødes efter adskillelse. Chikaner tillader drivbjælken at bevæge sig ud af vejen, mens den bagerste bjælke fortsætter med en ny drivbom.

Derudover viste forskere, hvordan man transporterer denne strålepakke gennem hvert plasmatrin ved hjælp af fokuseringslinser, der hjælper den efterfølgende stråle med at forblive på vej, mens drivstråleskiftene finder sted. Forskerne offentliggjorde et papir, der beskrev ideen i september i Physical Review Letters .

En anden kompakt acceleratoridé

Sammen med plasma wakefield acceleration har forskere andre ideer til måder at accelerere partikler på kortere afstande. En af disse ideer vil blive bygget på Arizona State University (ASU) med SLAC's Emilio Nanni og andre, der samarbejder. Designet bruger lasere – i stedet for kun magneter – til at vrikke elektroner inde i en XFEL for at producere kraftige røntgenstråler, der er nødvendige for eksperimenter.

I traditionelle XFEL'er vrikker stærke magneter en partikelstråle for at generere røntgenstråler. Rækken af ​​magneter kan være lang, hvilket betyder, at den samlede FEL-længde vil være lang. Men hvad nu hvis en FEL ikke behøvede en hel serie af magneter for at få partikler til at danse og udsende røntgenstråling? Dette er spørgsmålet, der var med til at føre til designet af den kompakte XFEL, som bruger en laserstråle til at ramme partikelstrålen, hvilket hjælper strålen med at vrikke og producere kraftige røntgenstråler. Laserne betyder, at der kan være behov for færre wiggler-magneter, hvilket resulterer i en samlet kortere FEL, hvis ideen lykkes i praksis.

Den kompakte XFEL vil blive bygget inden for de næste fem år på ASU Tempe campus. At bygge små, mere kompakte acceleratorer er en god ting for videnskaben, sagde forskere. Det betyder, at flere mennesker og steder kan få adgang til partikelacceleratorer, som har været et af de vigtigste værktøjer i videnskaben gennem de sidste 100 år.

Slutten af ​​linjen

Tilbage inde i speedertunnelen lukker Spencer Gessner låget på picnickurven og går hen mod et langbord. Her står en anden SLAC-forsker Doug Storey og arbejder på en bærbar computer og gennemgår data om stråleydelse. Tabellen kaldes beam dump table, og det er det primære post-plasma diagnostiske område til at måle, hvad der er sket med elektronstrålen efter plasma wakefield acceleration, sagde Storey.

"Dette bord er hvor gummiet møder vejen, så at sige," sagde han. "Den har en række diagnostiske kameraer, som måler de nøgleparametre, der er nødvendige for en vellykket demonstration af plasma wakefield acceleration."

Kameraerne på bordet ligner stopskilte i et vejkryds. De er monteret på stænger og vender i forskellige retninger, der hver indsamler forskellige typer data om den accelererede stråles energi til inden for en lille brøkdel af en procent og strålens pletstørrelse til mindre end et par mikrometer, hvilket er nøgleindikatorer for strålens lysstyrke , sagde Storey. Derudover ser nogle af kameraerne røntgen- og gammastrålerne, der produceres, når strålen bevæger sig gennem plasma. Disse oplysninger hjælper videnskabsmænd med at forstå, hvordan man kan forbedre kvaliteten af ​​plasmaaccelerationen, sagde Storey.

Storey ser tilbage på sin bærbare computer og begynder at arbejde igen. Gessner går forbi ham, tilbage mod begyndelsen af ​​anlægget. Han viser vejen ud af speederen, hvor næste generation af mindre, kraftige acceleratorer bager.

Journaloplysninger: Physical Review Letters , Nature Communications

Leveret af SLAC National Accelerator Laboratory