Het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy is begonnen met de bouw van een nieuwe faciliteit voor revolutionaire versnellertechnologieën die toekomstige versnellers 100 tot 1 zouden kunnen maken. 000 keer kleiner en vergroten hun mogelijkheden.

Het project is een upgrade van de Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET), een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit die van 2011 tot 2016 in gebruik was. FACET-II zal net als zijn voorganger bundels van zeer energetische elektronen produceren, maar met nog betere kwaliteit. Deze bundels zullen voornamelijk worden gebruikt om plasmaversnellingstechnieken te ontwikkelen, wat zou kunnen leiden tot deeltjesversnellers van de volgende generatie die ons begrip van de fundamentele deeltjes en krachten van de natuur vergroten, en nieuwe röntgenlasers die ons een ongeëvenaard beeld geven van ultrasnelle processen in de atomaire wereld om ons heen.

FACET-II zal een unieke faciliteit zijn die zal helpen om de VS in de voorhoede van de acceleratorwetenschap te houden, zei Vitaly Yakimenko van SLAC, projectleider. "De hoogwaardige balken stellen ons in staat om nieuwe versnellingsmethoden te ontwikkelen, "zei hij. "In het bijzonder, die studies zullen ons dicht bij het omzetten van plasmaversnelling in daadwerkelijke wetenschappelijke toepassingen brengen."

De DOE heeft nu het project van $ 26 miljoen goedgekeurd (Critical Decisions 2 en 3). De nieuwe faciliteit, die naar verwachting eind 2019 gereed zal zijn, zal ook fungeren als een Office of Science-gebruikersfaciliteit - een federaal gesponsorde onderzoeksfaciliteit voor geavanceerd acceleratoronderzoek dat beschikbaar is op een concurrerende, peer-reviewed basis voor wetenschappers van over de hele wereld.

"Als strategisch belangrijke nationale gebruikersfaciliteit, FACET-II zal ons in staat stellen om de haalbaarheid en toepassingen van plasma-aangedreven versnellertechnologie te onderzoeken, " zei James Siegrist, associate director van het High Energy Physics (HEP) programma van DOE's Office of Science, die in de VS geavanceerde accelerator R&D beheert voor de ontwikkeling van toepassingen in wetenschap en samenleving. "We kijken uit naar de baanbrekende wetenschap op dit gebied die FACET-II belooft, met het potentieel voor een aanzienlijke vermindering van de omvang en de kosten van toekomstige versnellers, inclusief vrije-elektronenlasers en medische versnellers."

Bruce Dunham, hoofd van het directoraat Accelerator van SLAC, zei, "Ons laboratorium is gebouwd op versnellertechnologie en blijft innovaties in het veld pushen. We zijn verheugd om FACET-II vooruit te zien gaan."

Surfen op de Plasma Wake

De nieuwe faciliteit zal voortbouwen op de successen van FACET, waar wetenschappers al hebben aangetoond dat de plasmatechniek zeer efficiënt de energie van elektronen en hun antimateriedeeltjes kan verhogen, positronen. Bij deze methode, onderzoekers sturen een stel zeer energetische deeltjes door een heet geïoniseerd gas, of plasma, het creëren van een plasma-kielzog voor een achterblijvende groep om op te "surfen" en energie op te doen.

In conventionele versnellers, deeltjes halen energie uit een radiofrequent veld in metalen constructies. Echter, deze structuren kunnen slechts een beperkte energiewinst per afstand dragen voordat ze kapot gaan. Daarom, versnellers die zeer hoge energieën genereren, worden erg lang, en erg duur. De plasma-wakefield-benadering belooft nieuwe wegen in te slaan. Toekomstige plasmaversnellers kunnen, bijvoorbeeld, ontvouw hetzelfde acceleratievermogen als SLAC's historische 2 mijl lange koperen versneller (linac) in slechts een paar meter.

Onderzoekers zullen FACET-II gebruiken voor cruciale ontwikkelingen voordat plasmaversnellers werkelijkheid kunnen worden. "We moeten laten zien dat we in staat zijn om de kwaliteit van de straal te behouden terwijl deze door plasma gaat, " zei Mark Hogan van SLAC, FACET-II projectwetenschapper. "Hoge kwaliteit bundels zijn een absolute vereiste voor toekomstige toepassingen in de deeltjes- en röntgenlaserfysica."

De FACET-II-faciliteit wordt momenteel gefinancierd om te werken met elektronen, maar het ontwerp maakt het mogelijk om later de mogelijkheid toe te voegen om positronen te produceren en te versnellen - een stap die de ontwikkeling van op plasma gebaseerde elektronen-positrondeeltjesversnellers voor deeltjesfysica-experimenten mogelijk zou maken.

Een ander belangrijk doel is de ontwikkeling van nieuwe elektronenbronnen die kunnen leiden tot lichtbronnen van de volgende generatie, zoals helderder dan ooit röntgenlasers. Deze krachtige ontdekkingsmachines bieden wetenschappers een ongekende kijk op de steeds veranderende atomaire wereld en openen nieuwe wegen voor onderzoek in de chemie, biologie en materiaalkunde.

Andere wetenschappelijke doelen voor FACET-II zijn onder meer compacte wakefield-versnellers die bepaalde elektrische isolatoren (diëlektrica) gebruiken in plaats van plasma, evenals diagnostische en rekenhulpmiddelen die de fysica van de krachtige elektronenstralen van de nieuwe faciliteit nauwkeurig zullen meten en simuleren. Wetenschappelijke doelen worden ontwikkeld met regelmatige input van de FACET-gebruikersgemeenschap.

"De goedkeuring voor FACET-II is een spannende mijlpaal voor de wetenschappelijke gemeenschap, " zei Chandrashekhar Joshi, een onderzoeker van de Universiteit van Californië, Los Angeles, en al jarenlang medewerker van het plasmaversnellingsteam van SLAC. "De faciliteit zal de grenzen van de acceleratorwetenschap verleggen, ontdek nieuwe en onverwachte fysica en draag substantieel bij aan de gecoördineerde inspanningen van het land op het gebied van R&D op het gebied van geavanceerde versneller."

Snel naar de eerste experimenten

Om de faciliteit compleet te maken, bemanningen zullen een elektronenbron en magneten installeren om elektronenbundels samen te drukken, evenals nieuwe afscherming, zei Carsten Hast van SLAC, FACET-II technisch directeur. "We zullen ook de besturingssystemen van de faciliteit upgraden en tools installeren om de eigenschappen van de straal te analyseren."

FACET-II zal één kilometer (een derde) van de SLAC-linac gebruiken - elektronen van de bron aan het ene uiteinde naar het experimentele gebied aan het andere uiteinde sturen - om een ​​elektronenstraal te genereren met een energie van 10 miljard elektronvolt die de het veelzijdige onderzoeksprogramma van de faciliteit.

FACET-II heeft zijn eerste oproep tot het indienen van voorstellen gedaan voor experimenten die zullen worden uitgevoerd wanneer de faciliteit in 2020 online gaat.

"Het projectteam heeft uitstekend werk geleverd bij het verkrijgen van DOE-goedkeuring voor de faciliteit, " zei Hannibal Joma van DOE, federaal projectdirecteur voor FACET-II. "We zullen het project nu op tijd opleveren voor het gebruikersprogramma bij SLAC."

Selina Green van SLAC, projectleider, zei, "Na twee jaar hard werken, het is heel opwindend om te zien dat het project eindelijk samenkomt. Dankzij de voortdurende steun van het DOE kunnen we binnenkort FACET-II openen voor baanbrekende nieuwe wetenschap."