Los aceleradores de plasma láser LPA obtuvieron el apodo de "sobremesa" porque, como lo demuestra el acelerador BELLA único en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. Berkeley Lab, pueden aumentar los haces de electrones a miles de millones de energías de voltios de electronesGeV en unos pocos centímetros, una distancia miles de veces más corta que los aceleradores convencionales.
Sin embargo, más allá de esos pocos centímetros, el pulso del láser se debilita y se bloquea la ganancia de energía. Los LPA tendrán que levantarse de la mesa si van a competir con colisionadores convencionales propuestos, como colisionadores lineales de electrones-positrones de 30 kilómetros de largo o protones circularescolisionadores de 100 kilómetros de circunferencia, con energías de voltios de electrones en billones TeV, no miles de millones. Solo mediante el acoplamiento de cien LPA en serie, cada uno alimentado por un láser de clase BELLA en serie, y acelerando un haz bien formado desde unoetapa a la siguiente, ¿se alcanzarán energías tan altas?
"Mucho antes de que comenzara la planificación para BELLA, teníamos la mira puesta en escena como la forma de lograr las energías necesarias para colisionadores de partículas compactas, láseres de electrones libres y otras herramientas de la ciencia futura", dice Wim Leemans, Director de BerkeleyLa División de Tecnología Aceleradora y Física Aplicada ATAP del Laboratorio y Director del Centro BELLA. Pero debido a los enormes desafíos técnicos, incluido el mantenimiento de haces de electrones con dimensiones medidas en millonésimas de metro y pulsos láser medidos en cuadrillonésimos de segundo femtosegundos,Leemans dice: "Mucha gente nos dijo que nunca podríamos hacerlo".
En un experimento repleto de novedades científicas, Leemans y sus colegas del Centro BELLA ahora han demostrado que un pulso láser puede acelerar un haz de electrones y acoplarlo a un segundo acelerador de plasma láser, donde otro pulso láser acelera el haz a una energía más altaun avance fundamental en la ciencia avanzada del acelerador. Los resultados se informan en la edición del 1 de febrero de Naturaleza .
vigas estables, espejos desechables
Sven Steinke, autor principal del artículo de Nature, dice que para lograr la puesta en escena no se trataba de grandes ganancias de energía; el desafío consistía en entregar un rayo útil. "Un billón de electronvoltios no importaría", dice. "Lo que importaba era la estabilidad, "un experimento que funcionaría de manera confiable durante días y muchos miles de disparos con láser". No querrá pasar tres cuartos de su día ajustando su inyector de haz, sin tiempo restante para hacer unexperimentar."
La solución fue usar dos tipos diferentes de LPA. El tipo más avanzado pero más quisquilloso es un capilar de descarga, un bloque de zafiro con un delgado tubo horizontal que lo atraviesa. El gas hidrógeno llena el tubo; una potente descarga eléctrica lo ioniza,separando electrones de sus núcleos y formando un plasma. Casi instantáneamente este arco de descarga calienta el plasma y forma una guía de ondas láser, un canal cilíndrico de plasma más delgado en el centro; el pulso láser entrante lo atraviesa como una lancha rápida en el agua, recogiendo librementeelectrones a su paso y arrojándolos hacia adelante como un surfista en una ola siguiente.
Otro tipo de LPA es un chorro de gas supersónico de unos cientos de micrómetros de diámetro. El pulso láser perfora el gas, lo ioniza simultáneamente para formar un plasma y deja una estela para acelerar los electrones libres.
El chorro de gas, conceptualmente simple pero capaz de generar energías de haz de más de cien millones de electronvoltios, fue la elección del equipo para la etapa 1, el inyector de haz. El capilar de descarga más potente, similar al utilizado en BELLA, seríaser Etapa 2.
Un desafío crítico fue cómo introducir el segundo pulso láser, usando un espejo, dentro del espacio de pocos milímetros entre las dos etapas. El haz de electrones tendría que pasar a través de un agujero en el espejo. El pulso láser reflejado se acercaríaatrás. Desafortunadamente, para enfocar la potencia suficiente para acelerar el haz de electrones, el foco del láser tendría que estar tan cerca del espejo que lo haría pedazos.
"Decidimos desde el comienzo del proyecto que, en lugar de preocuparnos por volar el espejo, lo haríamos explotar con cada disparo", dice Leemans. Primero desarrollaron un espejo prototipo de película de agua, dice, "perose decidió por una cinta VHS mucho más robusta "
Los reproductores de videocasetes pueden estar pasados de moda, pero la cinta VHS es delgada, resistente al estiramiento y capaz de funcionar durante horas seguidas. El haz de electrones perfora la cinta prácticamente intacta. En el lado opuesto, en la menor fracción deun segundo antes de que el pulso láser pueda penetrar la cinta, ioniza la superficie para formar un plasma denso y perfectamente plano: un espejo altamente eficiente.
Steinke, cuya disertación involucró espejos de plasma y que era un postdoctorado en el Instituto Max Born en Berlín antes de unirse al Centro BELLA, caracterizó el sistema de espejos para el experimento de puesta en escena. Los espejos de plasma anteriores se basaron en ópticas sólidas costosas hechas para propósitos completamente diferentes.Steinke y Leemans están de acuerdo: "Este fue el primer uso de un espejo de plasma desechable continuo de alta tasa de repetición".
Una lente de plasma fortuita
El sistema de estadificación estaba listo para su primera prueba. En el LPA de chorro de gas, el primer pulso láser creó un haz de electrones que pasó a través de la cinta, mientras que el espejo de plasma reflejó el segundo pulso láser. Tanto el haz de electrones como el pulso láser entraronla etapa 2 capilar.
No salió ningún rayo
"Nos quedamos atónitos", dice Jeroen van Tilborg, miembro del Centro BELLA desde hace mucho tiempo y su predecesor, el Programa LOASIS, donde obtuvo su doctorado en la Universidad Técnica de Eindhoven ". De repente, había cuatro o cinco de nosotros sentados.alrededor de garabatear en el reverso de los sobres "
Los científicos de ATAP habían usado capilares de descarga para inyectar y acelerar electrones durante más de 10 años, pero esta era la primera vez que alguien disparaba un haz de electrones externo en uno. Nunca se habían ocupado de los efectos completos de la poderosa corriente de descarga:ioniza el gas y forma una guía de onda óptica a través del plasma, pero también crea un fuerte campo magnético que puede destruir un haz de electrones preexistente.
O, más optimista, puede darle forma y enfocarlo. Van Tilborg llamó a dibs al estudiar el problema y pronto se dio cuenta de que el campo magnético pulsado sería una excelente lente de plasma. Una lente de acción rápida podría encontrar muchos usos, por ejemplo, acondicionandohaces de láseres de electrones libres existentes. Su aplicación inmediata fue enfocar firmemente el haz del inyector del experimento de puesta en escena.
La configuración final - inyector de chorro de gas, lente de plasma, espejo de plasma, segunda etapa del capilar de descarga y diagnóstico - mostró ganancias de energía, para porciones significativas del haz de electrones, de alrededor de cien millones de electronvoltios.
El éxito del experimento fue el resultado de descubrimientos en el trabajo más retroalimentación continua entre observaciones experimentales y modelado por computadora. Ejecución en una supercomputadora Cray en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética NERSC del DOE en Berkeley Lab, el altamente eficiente código INF & RNOpara modelar las interacciones con láser y plasma podría convertir los datos experimentales de un día en una simulación casi de la noche a la mañana, como "diarios" en un set de película. Entre muchas otras preguntas, se podrían explorar las complejidades de la sincronización del láser; enfocando el rayo enérgico pero irregular del chorro de gaspodría simularse incluso cuando el descubrimiento fortuito de cómo hacerlo realmente se estaba convirtiendo en una realidad.
"Mediante la comparación con las observaciones experimentales, la simulación puede ver todo", dice Carlo Benedetti, del equipo de simulación del Centro BELLA, que dirigió el desarrollo de INF & RNO. "Podemos ver cómo se comporta el rayo láser y entender qué electrones son los que están siendoacelerado."
El primer acoplamiento exitoso de dos aceleradores láser-plasma independientes ha demostrado el principio. Luego viene la realidad.
"Estamos listos para poner en escena BELLA", dice Leemans, usando dos LPA de capilar de carga. "Dividiremos el rayo láser BELLA", capaz de generar un billón de vatios un petavatio por pulso de 40 femtosegundos por segundo."La primera etapa debería elevar el haz a aproximadamente 5 GeV. Haremos el transporte del grupo con nuestra lente capilar y jugaremos con el momento del segundo pulso. Deberíamos salir de la segunda etapa con 10 GeV. Y, mientrasen el experimento de puesta en escena solo estamos atrapando alrededor del tres o cuatro por ciento de los electrones disponibles, en BELLA podremos atrapar el 100 por ciento de la carga ".
Aún mejor, dice Steinke, "BELLA es mucho más simple. Los efectos de la cinta en la calidad del haz deberían ser mucho menores, y el haz es mucho más 'rígido', más fácil de manejar".
Van Tilborg está de acuerdo: "A 5 GeV por etapa puede que no haya ningún problema. La mayor energía te ahorra"
"Muchos grupos de todo el mundo están trabajando en diferentes aspectos del desarrollo de LPA, y estoy seguro de que veremos las primeras aplicaciones de LPA en la próxima década", comenta James Symons, Director de Laboratorio Asociado de Ciencias Físicas en Berkeley Lab."Al igual que con todas las nuevas tecnologías, la naturaleza de esas aplicaciones puede sorprendernos". Sigue habiendo desafíos, pero la era de los aceleradores que no solo son compactos sino que pueden lograr energías extraordinarias está sobre nosotros.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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