Een reeks nieuwe lasersystemen en voorgestelde upgrades in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy (DOE) zullen langetermijnplannen voortstuwen voor een compactere en betaalbare ultrahoge-energetische deeltjesversneller.

Vooruitgang met deze lasersystemen en lasergestuurde versnellers zou ook veel spin-offs kunnen opleveren, zoals een nieuw instrument om op radioactieve materialen te jagen, en een geminiaturiseerd en zeer afstembaar vrije-elektronenlasersysteem dat een reeks wetenschappelijke experimenten mogelijk maakt.

Deze inspanningen worden uiteengezet in een door DOE gesponsord workshoprapport dat zich richt op een reeks 10-jarige roadmaps die zijn ontworpen om R&D op gang te brengen bij het besturen van een deeltjesversneller van de volgende generatie voor hoge-energiefysica. Het uiteindelijke doel is een machine die in staat is om de natuurkunde te verkennen buiten het bereik van CERN's Large Hadron Collider (LHC). De krachtigste botser van vandaag, de LHC maakte de ontdekking mogelijk van het Higgs-deeltje dat in 2013 resulteerde in de Nobelprijs voor de natuurkunde.

de LHC, met een hoofdring 17 mijl in omtrek, botst met protonen - subatomaire deeltjes die vrijkomen uit het centrum van atomen - bij botsingsenergieën tot 13 biljoen elektronvolt (13 TeV).

In de tussentijd, voorstellen voor lineaire versnellers van de volgende generatie zouden elektronen en hun antideeltjes botsen, positronen, bij lagere energieën - van een paar honderd miljard elektronvolt (GeV) tot een paar TeV. En hoewel de botsingsenergieën van deze machines lager zouden zijn dan die van de LHC, de fysica van hun elektron-positron-botsingen zou complementair zijn, het mogelijk maken van meer specifieke, gedetailleerde metingen voor sommige deeltjeseigenschappen en verschijnselen.

Het bouwen van een elektron-positron-botser op TeV-niveau met de huidige versnellertechnologie is mogelijk, maar zou duur zijn vanwege de grote omvang (de voetafdruk zou waarschijnlijk meer dan 20 mijl bedragen).

In een poging om de omvang en de bijbehorende kosten van een volgende generatie versneller te verminderen, het Office of High Energy Physics binnen DOE's Office of Science bracht meer dan twee dozijn experts van DOE en het hele land samen om een ​​Advanced Accelerator Development Strategy Report voor te bereiden dat doelen stelt voor drie potentieel baanbrekende acceleratortechnologieën in de komende 10 jaar.

Onder andere aanbevelingen, het rapport benadrukt de noodzaak van R&D bij BELLA, de Berkeley Lab-laserversneller, die is gebaseerd op een van die drie technologieën:een laser-driven plasma wakefield accelerator (LWFA). Deze vorm van versnelling maakt gebruik van een laser of lasers om elektronen te versnellen tot hoge energieën.

Twee andere wakefield-versnellingsconcepten die elders worden ontwikkeld - een voor een door deeltjesbundel aangedreven versneller, de andere voor een diëlektrische wakefield-versneller - zijn ook opgenomen in de wegenkaart.

Andere versnellingstechnieken zijn in ontwikkeling die buiten de scope van het rapport vallen, inclusief een R&D-inspanning op CERN, AWAKE genaamd, die de door protonen aangedreven plasma-wakefield-versnelling onderzoekt.

De nieuwe benaderingen van deeltjesversnelling die in het rapport worden onderschreven, bieden allemaal mogelijke manieren om hoogenergetische deeltjesversnellers te verkleinen door compacte, dichte golven van plasma's - gevormd in hete, sterk geladen gassen - die snel bundels nauwkeurig geplaatste elektronen versnellen, zoals een surfer die op een oceaangolf rijdt.

BELLA-onderzoekers hebben al een modulaire LWFA-opstelling gedemonstreerd voor het bereiken van hoge energieën, en werken er nu aan om dit te verbeteren. Het doel op korte termijn dat in het rapport wordt geschetst, is het bereiken van elektronenstraalenergieën van 10 GeV, omhoog van BELLA's huidige wereldrecord van 4,3 GeV.

"Als we eenmaal 10 GeV-stralen hebben, zal dat een hele reeks nieuwe dingen openen. Het zal een grote stap voorwaarts zijn, zei Wim Leemans, directeur van de Accelerator Technology &Applied Physics Division van het Lab. Het doel van 10 GeV is belangrijk omdat het een energiedrempel vertegenwoordigt voor het genereren van positronenbundels met een hoge lading, die nodig zou zijn voor een volgende generatie botser.

De LWFA-routekaart, Leemans zei, "geeft ons een anker in het hele acceleratorprogramma" geschetst voor het DOE nationale laboratoriumcomplex.

Het BELLA-team zal twee verschillende benaderingen nastreven om dit doel van 10 GeV te bereiken:een opstelling met een enkele versneller met een enkele laser, en een tweetrapsbenadering met twee afzonderlijke lasers.

De eerste trap zal de energie van de elektronenbundel verhogen tot 5 GeV, en de tweede trap zal de bundel nog eens 5 GeV versnellen, tot 10 GeV. De tweede BELLA-bundellijn voor de opstelling met twee bundels zou eind 2018 kunnen worden gebouwd, zoals beschreven in het roadmaprapport, mits er financiering beschikbaar is.

Het rapport merkt op dat naast de vooruitgang in de versnellertechnologie, er moeten ook nieuwe ontwikkelingen zijn in lasertechnologie, en ondersteunende apparatuur zoals spiegels, om dit nieuwe type botser te realiseren.

BELLA gebruikt nu saffierkristallen gedoteerd met titanium om zijn laserlicht te produceren. Om veel hogere energieën te bereiken, en gemiddeld bundelvermogen, het DOE-rapport beveelt aan om andere soorten lasers na te streven, zoals optische vezels, vaste toestand, of kooldioxidelasers, onder andere benaderingen.

Een belangrijke technologische uitdaging voor BELLA is om zijn pulsen sneller te laten vuren, toenemend van een huidige snelheid van ongeveer 1 puls per seconde tot een snelheid van ongeveer 1, 000 per seconde, of 1 kilohertz (in een toekomstige ontwikkeling genaamd "K-BELLA").

uiteindelijk, een hartslag van 10, 000 of 100, 000 per seconde zou ideaal zijn voor een volgende generatie versneller, zei Carl Schröder, een senior wetenschapper van Berkeley Lab die de theoretische en modelleringsinspanningen voor BELLA-experimenten leidt en heeft gewerkt aan conceptuele ontwerpen en modellering voor deze LWFA-botser.

Als haar R&D-inspanningen succesvol zijn, BELLA's maximale energie zou voldoende moeten zijn om de mijlpaal van 10 GeV versnelling te bereiken, zei Anthony Gonsalves, een stafwetenschapper van Berkeley Lab die aan BELLA werkt. "We hebben genoeg ruimte in de 'tank' - er is veel hoofdruimte in energie die we nog niet eens hebben onderzocht."

Naast de ontwikkeling van benaderingen met één bundel en twee bundels voor een 10 GeV LWFA, de ontwikkeling van een nieuw, compact type vrije-elektronenlaser (FEL) en een afzonderlijke draagbare gammastralingsbron - om volgend jaar met testen te beginnen - kunnen de eerste belangrijke toepassingen van de LWFA-technologie zijn als de inspanningen succesvol blijken te zijn.

FEL's zijn zeer afstembare lichtbronnen die kunnen helpen bij het onderzoeken van materie tot op atomaire en moleculaire schaal met ultraheldere pulsen gemeten in femtoseconden, of quadriljoensten van een seconde. Het FEL-project streeft naar het miniaturiseren van röntgen-FEL's door een kilometerslange conventionele versnellingsstructuur te vervangen door een wakefield-versneller van minder dan 10 meter lang.

De op plasma gebaseerde gammastralingsbron, In de tussentijd, een nuttig en draagbaar instrument kan blijken te zijn voor het opsporen van nucleair materiaal.

Schroeder zei, "De FEL- en gammastralingsbron worden erkend als vroege toepassingen van deze technologie. De lasersystemen voor deze experimenten zullen deze winter in gebruik worden genomen.

"De routekaart bevat een rijk programma voor het komende decennium, ", voegt Leemans toe. "Er worden belangrijke concepten ontwikkeld voor toekomstige op plasma gebaseerde versnellers, en BELA, met upgrades, zal het testen en ontwikkelen van veel van deze concepten mogelijk maken."