Wykorzystując podwójne lasery i zaawansowany system wtrysku gazu, badacze z Berkeley Lab Laser Accelerator Center (BELLA) przyspieszyli wysokiej jakości wiązkę elektronów do 10 miliardów elektronowoltów (10 GeV) na odległość zaledwie 30 centymetrów.
Akceleratory laserowo-plazmowe mogą radykalnie zmniejszyć rozmiar i koszt akceleratorów cząstek, przynosząc korzyści takim dziedzinom, jak fizyka wysokich energii, medycyna i inżynieria materiałowa. Do najważniejszych osiągnięć niedawnego eksperymentu BELLA należą:
- Zapisz jakość energii i wiązki: Naukowcy wykorzystali laser petawatowy do przyspieszenia wiązki elektronów o energii 10 GeV, co oznacza znaczną poprawę zarówno pod względem wydajności energetycznej, jak i jakości wiązki.
- Zaawansowana konfiguracja eksperymentalna: Nowy system charakteryzuje się precyzją[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>plasma control, allowing scientists to observe how the laser plasma evolves throughout the process.
- Dark Current-Free Acceleration: By eliminating background electrons that can sap laser energy, the setup efficiently channels power into the intended electron beam.
Breakthrough in Laser-Plasma Acceleration
Scientists have successfully accelerated electrons to extremely high energies using a pair of lasers and a supersonic sheet of gas, achieving this feat within a distance of less than a foot. This breakthrough advances laser-plasma acceleration, a promising technology that could lead to compact, high-energy particle accelerators with applications in particle physics, medicine, and materials science.
In a new study published today (December 18) in Physical Review Letters, researchers accelerated high-quality electron beams to more than 10 billion electronvolts (10 gigaelectronvolts, or GeV) within 30 centimeters. The work was led by the Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) in collaboration with the University of Maryland. Conducted at the Berkeley Lab Laser Accelerator Center (BELLA), the experiment surpasses the lab’s previous 2019 world record of producing 8-GeV electron beams in 20 centimeters. This new achievement not only boosts beam energy but also delivers high-quality electron beams at this energy level for the first time, marking a crucial step toward future high-efficiency particle accelerators.
“We’ve jumped from 8 GeV to 10 GeV, but we’ve also significantly improved the quality and energy efficiency by changing the technology we use,” said Alex Picksley, lead author of the study and a research scientist in Berkeley Lab’s Accelerator Technology & Applied Physics Division (ATAP). “This is a milestone step on the path to a future plasma-based collider.”
Enhancing Electron Acceleration with Dual-Laser System
Laser-plasma accelerators (LPAs) use plasma, a gaseous soup of charged particles that includes electrons. By giving the plasma an intense jolt of energy over a few quadrillionths of a second, researchers can create a powerful wave. Electrons ride the crest of this plasma wave, gathering energy like a surfer on a wave in the ocean.
The new result used a dual-laser system made possible by the completion of a second beamline at BELLA in 2022. In this system, the first laser acts like a drill, heating the plasma and forming a channel that guides the following “drive” laser pulse, which accelerates the electrons. The plasma channel directs the laser energy much like a fiber-optic cable guides light, keeping the laser pulse focused over longer distances.
Advancements in Plasma Channel Technology
In the past, researchers shaped the plasma using fixed-length glass or sapphire tubes called “capillaries.” But in the new result, the team turned to a system that uses a series of gas jets, lined up like the jets in a gas fireplace. The jets create a sheet of gas traveling at supersonic speeds, which the lasers pass through to form a plasma channel. The setup allows researchers to finely tune their plasma and change its length, letting them study the process at different stages with unmatched precision.
“Before, the plasma was essentially a black box,” said Carlo Benedetti, an ATAP staff scientist at BELLA who works on the theory and modeling of laser-plasma accelerators. “You knew what you put in and what came out at the end. This is the first time we can capture what’s happening inside the accelerator at each point, showing how the laser and plasma wave evolve, at high power, frame by frame.”
W tej symulacji procesu przyspieszania lasera i plazmy wygenerowanej za pomocą kodu INF&RNO, sterownik lasera (pomarańczowy) propaguje w prawo przez plazmę (niebieski), generując falę plazmową. Okno symulacji porusza się z prędkością światła podążającego za laserem i falą plazmową, sprawiając wrażenie nieruchomych. Elektrony zjonizowane laserem (żółty) są wychwytywane i przyspieszane (żółta wiązka) do energii do 10 GeV przez silne pola elektromagnetyczne w plazmie, po odległości propagacji wynoszącej 30 cm. Źródło: Carlo Benedetti/Berkeley Lab
Precyzyjne monitorowanie i symulacja plazmy
Wiedza ta pozwala badaczom porównywać ich modele i eksperymenty, dając im pewność, że rozumieją fizykę w miejscu pracy i narzędzia do dostrajania akceleratora. Aby symulować interakcję lasera z plazmą, eksperci wykorzystują kod o nazwie INF&RNO opracowany w firmie BELLA. Złożone obliczenia przeprowadzane są w Narodowym Centrum Obliczeniowym Badań nad Energią (NERSC) w Berkeley Lab. Nowe odkrycia pomagają zweryfikować kod wykorzystany w tych symulacjach, co dodatkowo wzmacnia modele.
System strumienia gazu ma jeszcze jedną zaletę: odporność. Ponieważ warstwa gazu nie ma części, które można by rozerwać, technologię można skalować do bardzo wysokich współczynników powtarzalności, co ma miejsce w laboratorium pracując w kierunku dla przyszłych zderzaczy cząstek i zastosowań.
Naukowcy wykazali również, że dzięki ich podejściu wiązka była „wolna od ciemnego prądu”, co oznacza, że elektrony tła w plazmie nie zostały przypadkowo przyspieszone.
„Jeśli masz ciemne prądy, wysysają one energię lasera zamiast przyspieszać wiązkę elektronów” – powiedział Jeroen van Tilborg, naukowiec z ATAP i zastępca dyrektora odpowiedzialny za program eksperymentalny BELLA. „Dotarliśmy do punktu, w którym możemy kontrolować nasz akcelerator i tłumić niepożądane efekty, dzięki czemu wytwarzamy wiązkę wysokiej jakości bez marnowania energii. Jest to niezbędne, gdy myślimy o idealnym akceleratorze laserowym przyszłości”.
Potencjalne zastosowania i perspektywy na przyszłość
Technologia ma szeroki zakres potencjalnych zastosowań. Można go na przykład wykorzystać do wytwarzania wiązek cząstek do leczenia raka. Może też zasilać lasery na swobodnych elektronach, które działają jak mikroskopy atomowe, pomagając w tworzeniu zaawansowanych materiałów i zdobywaniu wglądu w procesy chemiczne i biologiczne.
„Zrobiliśmy duży krok w kierunku umożliwienia zastosowań tych kompaktowych akceleratorów” – powiedział Anthony Gonsalves, naukowiec z ATAP, który kieruje pracami nad akceleratorami w firmie BELLA. „Dla mnie piękno tego wyniku polega na tym, że usunęliśmy ograniczenia dotyczące kształtu plazmy, które ograniczały wydajność i jakość wiązki. Zbudowaliśmy platformę, na której możemy dokonać znacznych ulepszeń i jesteśmy gotowi wykorzystać niesamowity potencjał akceleratorów laserowo-plazmowych.”
W stronę wysokoenergetycznych zderzaczy cząstek
W skali do wyższych energii akceleratory laserowo-plazmowe mogą mieć zastosowanie w fizyce podstawowej i poza nią. W najbliższej przyszłości LPA będą mogły być wykorzystywane do produkcji belek miony, które pomagają obrazowi obszary trudne do zbadania, w tym struktury architektoniczne, takie jak starożytne piramidy, obiekty geologiczne, takie jak wulkany lub złoża minerałów, lub wnętrza reaktorów jądrowych. W dłuższej skali technologia ta mogłaby zasilać zderzacze cząstek o wyższej energii, które rozbijałyby naładowane cząstki w celu poszukiwania nowych cząstek i głębszego wglądu w siły leżące u podstaw naszego wszechświata. Naukowcy z BELLA pracują obecnie nad opracowaniem tych maszyn o bardzo dużej energii, łącząc elementy składowe w stopniowany system akceleratora.
Droga do zaawansowanych systemów akceleratorów
„Połączenie etapów daje nam realistyczną ścieżkę generowania elektronów o energii od 10 do 100 GeV i budowania przyszłych zderzaczy cząstek, które mogą osiągnąć 10 TeV [teraelectronvolts]”- powiedział Eric Esarey, dyrektor Centrum BELLA. „Gdy energia lasera z jednego stopnia się wyczerpie, wysyłamy nowy impuls laserowy, zwiększając szeregowo energię elektronów z jednego stopnia do drugiego.”
Aby stworzyć systemy etapowe, niezbędna jest dobra diagnostyka badaczy. Pozwala im to zrozumieć, jak zachowuje się plazma, laser i wiązka elektronów, a także zapewnia precyzyjną kontrolę nad synchronizacją i synchronizacją kroków zachodzących w ułamku sekundy.
„Dzięki tym badaniom poprawiliśmy energię cząstek wysokiej jakości wiązek na bardzo krótkie odległości oraz wydajność, z jaką możemy je wytwarzać, dzięki zastosowaniu precyzyjnej diagnostyki, która zapewnia nam doskonałą kontrolę laserowo-plazmową” – powiedział Cameron Geddes, dyrektor oddziału ATAP w Berkeley Lab. „Obydwoje za ważny cel uznali rozwój technologii akceleratorów laserowo-plazmowych Panel ustalania priorytetów projektu fizyki cząstek w USA (P5) i Departament Energii Zaawansowana Strategia Rozwoju Akceleratora. Wynik ten jest kamieniem milowym na naszej drodze do etapowych akceleratorów, które zmienią sposób, w jaki uprawiamy naszą naukę”.
Odniesienie: „Dopasowane prowadzenie i kontrolowany wtrysk w pozbawionych prądu ciemnego, klasy 10 GeV, kierowanych kanałowo laserowo-plazmowych akceleratorach” autorstwa A. Picksleya, J. Stackhouse’a, C. Benedettiego, K. Nakamury, HE Tsai, R. Li, B. Miao, JE Shrock, E. Rockafellow, HM Milchberg, CB Schroeder, J. van Tilborg, E. Esarey, CGR Geddes i AJ Gonsalves, 18 grudnia 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.255001
Prace te były wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii, Biuro Fizyki Wysokich Energii i Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony, a wykorzystano Narodowe Centrum Obliczeniowe Naukowe Badań nad Energią (NERSC), obiekt użytkownika Biura Naukowego DOE.
