Door een eerste laserpuls te combineren om op te warmen en door een plasma te "boren", en een andere om elektronen te versnellen tot ongelooflijk hoge energieën in slechts tientallen centimeters, wetenschappers hebben het vorige record voor lasergestuurde deeltjesversnelling bijna verdubbeld.

De laser-plasma-experimenten, uitgevoerd aan het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), streven naar compactere en betaalbare soorten deeltjesversnelling om exotische, hoogenergetische machines - zoals röntgenvrije-elektronenlasers en deeltjesversnellers - die onderzoekers in staat zouden kunnen stellen om duidelijker te zien op de schaal van moleculen, atomen, en zelfs subatomaire deeltjes.

Het nieuwe record van het voortstuwen van elektronen tot 7,8 miljard elektronvolt (7,8 GeV) in het Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center overtreft een 4,25 GeV-resultaat bij BELLA dat in 2014 werd aangekondigd. Het laatste onderzoek wordt gedetailleerd beschreven in de editie van 25 februari van het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . Het recordresultaat werd behaald in de zomer van 2018.

Het experiment gebruikte ongelooflijk intense en korte "driver" laserpulsen, elk met een piekvermogen van ongeveer 850 biljoen watt en beperkt tot een pulslengte van ongeveer 35 biljardste van een seconde (35 femtoseconden). Het piekvermogen komt overeen met het gelijktijdig verlichten van ongeveer 8,5 biljoen 100 watt gloeilampen, hoewel de lampen slechts tientallen femtoseconden zouden branden.

Elke intense driver-laserpuls leverde een zware "kick" die een golf in een plasma opwekte - een gas dat voldoende is verwarmd om geladen deeltjes te creëren, inclusief elektronen. Elektronen reden op de top van de plasmagolf, als een surfer op een oceaangolf, om recordbrekende energieën te bereiken in een 20 centimeter lange saffierbuis.

"Alleen het creëren van grote plasmagolven was niet genoeg, " merkte Anthony Gonsalves op, de hoofdauteur van de laatste studie. "We moesten die golven ook over de volledige lengte van de 20 centimeter buis creëren om de elektronen tot zo'n hoge energie te versnellen."

Hiervoor was een plasmakanaal nodig, die een laserpuls op vrijwel dezelfde manier beperkt als een glasvezelkabel licht kanaliseert. Maar in tegenstelling tot een conventionele optische vezel, een plasmakanaal is bestand tegen de ultra-intensieve laserpulsen die nodig zijn om elektronen te versnellen. Om zo'n plasmakanaal te vormen, je moet het plasma in het midden minder dicht maken.

In het experiment van 2014 een elektrische ontlading werd gebruikt om het plasmakanaal te creëren, maar om naar hogere energieën te gaan, hadden de onderzoekers het dichtheidsprofiel van het plasma nodig om dieper te zijn - dus het is minder dicht in het midden van het kanaal. Bij eerdere pogingen verloor de laser zijn scherpe focus en beschadigde de saffierbuis. Gonsalves merkte op dat zelfs de zwakkere gebieden van de focus van de laserstraal - de zogenaamde "vleugels - sterk genoeg waren om de saffierstructuur te vernietigen met de vorige techniek.

Eric Esarey, BELLA Centrum directeur, zei dat de oplossing voor dit probleem werd geïnspireerd door een idee uit de jaren negentig om een ​​laserpuls te gebruiken om het plasma te verwarmen en een kanaal te vormen. Deze techniek is in veel experimenten gebruikt, inclusief een inspanning van Berkeley Lab uit 2004 die hoogwaardige bundels produceerde die 100 miljoen elektronvolt (100 MeV) bereikten.

Zowel het team van 2004 als het team dat bij de laatste inspanning betrokken was, werden geleid door voormalig ATAP en BELLA Centre Director Wim Leemans, die nu in het DESY-laboratorium in Duitsland is. De onderzoekers realiseerden zich dat het combineren van de twee methoden - en het plaatsen van een verwarmingsstraal in het midden van het capillair - het plasmakanaal verder verdiept en vernauwt. Dit bood een weg voorwaarts naar het bereiken van stralen met hogere energie.

In het laatste experiment Gonsalves zei, "De elektrische ontlading gaf ons uitstekende controle om de plasmacondities voor de laserpuls van de verwarming te optimaliseren. De timing van de elektrische ontlading, verwarmingspuls, en de hartslag van de bestuurder was van cruciaal belang."

De gecombineerde techniek verbeterde de opsluiting van de laserstraal radicaal, behoud van de intensiteit en de focus van de aandrijflaser, en het beperken van de grootte van de plek, of diameter, tot slechts tientallen miljoensten van een meter terwijl het door de plasmabuis bewoog. Dit maakte het gebruik van een plasma met een lagere dichtheid en een langer kanaal mogelijk. Het vorige 4,25 GeV-record had een kanaal van 9 centimeter gebruikt.

Het team had nieuwe numerieke modellen (codes) nodig om de techniek te ontwikkelen. Een samenwerking met Berkeley Lab, het Keldysh Instituut voor Toegepaste Wiskunde in Rusland, en het ELI-Beamlines-project in Tsjechië heeft verschillende codes aangepast en geïntegreerd. Ze combineerden MARPLE en NPINCH, ontwikkeld aan het Keldysh Institute, om de kanaalvorming te simuleren; en INF&RNO, ontwikkeld in het BELLA Center, om de laser-plasma-interacties te modelleren.

"Deze codes hebben ons geholpen om snel te zien wat het grootste verschil maakt - wat zijn de dingen die je in staat stellen om te leiden en te versnellen, " zei Carlo Benedetti, de hoofdontwikkelaar van INF&RNO. Nadat bleek dat de codes overeenkwamen met de experimentele gegevens, het werd gemakkelijker om de experimenten te interpreteren, hij merkte.

"Nu is het op het punt waar de simulaties kunnen leiden en ons vertellen wat we nu moeten doen, ' zei Gonsalves.

Benedetti merkte op dat de zware berekeningen in de codes gebruik maakten van de middelen van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) in Berkeley Lab. Toekomstig werk dat naar een hogere energieversnelling streeft, kan veel intensievere berekeningen vereisen die een regime benaderen dat bekend staat als exascale computing.

"Vandaag, de geproduceerde bundels zouden de productie en vangst van positronen mogelijk maken, " wat de positief geladen tegenhangers van elektronen zijn, zei Esarey.

Hij merkte op dat er een doel is om 10 GeV-energieën te bereiken in elektronenversnelling bij BELLA, en toekomstige experimenten zullen gericht zijn op deze drempel en daarbuiten.

"In de toekomst, meerdere hoogenergetische stadia van elektronenversnelling kunnen aan elkaar worden gekoppeld om een ​​elektron-positron-botser te realiseren om fundamentele fysica met nieuwe precisie te verkennen, " hij zei.