Door elektronen te observeren die zijn versneld tot extreem hoge energieën, wetenschappers zijn in staat om aanwijzingen te ontsluiten over de deeltjes waaruit ons universum bestaat.

Het versnellen van elektronen tot zulke hoge energieën in een laboratoriumomgeving, echter, is uitdagend:typisch, hoe energieker de elektronen, hoe groter de deeltjesversneller. Bijvoorbeeld, om het Higgs-deeltje te ontdekken - het onlangs waargenomen "Goddeeltje, " verantwoordelijk voor massa in het universum - wetenschappers van het CERN-laboratorium in Zwitserland gebruikten een deeltjesversneller van bijna 27 mijl lang.

Maar wat als er een manier was om deeltjesversnellers te verkleinen, hoogenergetische elektronen produceren in een fractie van de afstand?

In een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , wetenschappers van het Laboratory for Laser Energetics (LLE) van de University of Rochester hebben een methode geschetst om intens laserlicht zo te vormen dat elektronen worden versneld om energieën op zeer korte afstanden vast te leggen:de onderzoekers schatten dat de versneller 10 zou zijn, 000 keer kleiner dan een voorgestelde opstelling die vergelijkbare energie registreert, het gaspedaal verminderen van bijna de lengte van Rhode Island tot de lengte van een eettafel. Met een dergelijke technologie, wetenschappers zouden tafelexperimenten kunnen uitvoeren om het Higgs-deeltje te onderzoeken of het bestaan ​​van extra dimensies en nieuwe deeltjes te onderzoeken die zouden kunnen leiden tot de droom van Albert Einstein van een grootse verenigde theorie van het universum.

"De hogere energie-elektronen zijn nodig om fundamentele deeltjesfysica te bestuderen, " zegt John Palastro, een wetenschapper aan de LLE en de hoofdauteur van het artikel. "Elektronenversnellers bieden een kijkglas naar een subatomaire wereld die wordt bewoond door de fundamentele bouwstenen van het universum."

Hoewel dit onderzoek momenteel theoretisch is, de LLE werkt eraan om dit te realiseren door middel van plannen om de krachtigste laser ter wereld te bouwen in de LLE. de laser, EP-OPAL te noemen, zullen de onderzoekers in staat stellen de extreem krachtige gebeeldhouwde lichtpulsen en technologie te creëren die in dit artikel worden beschreven.

De door de onderzoekers geschetste elektronenversneller is gebaseerd op een revolutionaire techniek om de vorm van laserpulsen te modelleren, zodat hun pieken sneller kunnen reizen dan de lichtsnelheid.

"Met deze technologie kunnen elektronen worden versneld tot meer dan mogelijk is met de huidige technologieën, " zegt Dustin Froula, een senior wetenschapper aan de LLE en een van de auteurs van het artikel.

Om de laserpulsen te vormen, de onderzoekers ontwikkelden een nieuwe optische opstelling die lijkt op een cirkelvormig amfitheater met "stappen" ter grootte van een golflengte die worden gebruikt om een ​​tijdsvertraging te creëren tussen concentrische ringen van licht geleverd door een krachtige laser.

Een typische lens focust elke lichtring van een laser op een enkele afstand van de lens, vormen een enkele vlek van licht met hoge intensiteit. In plaats van een typische lens te gebruiken, echter, gebruiken de onderzoekers een exotisch gevormde lens, waardoor ze elke lichtring op een andere afstand van de lens kunnen focussen, het creëren van een lijn van hoge intensiteit in plaats van een enkele plek.

Wanneer deze gebeeldhouwde lichtpuls een plasma binnengaat - een hete soep van vrij bewegende elektronen en ionen - creëert het een zog, vergelijkbaar met het kielzog achter een motorboot. Dit kielzog plant zich voort met de snelheid van het licht. Net als een waterskiër die in het kielzog van een boot rijdt, de elektronen versnellen dan terwijl ze in het kielzog van de gebeeldhouwde laserlichtpulsen rijden.

Deze "laser wakefield accelerators" (LWFA) werden bijna 40 jaar geleden voor het eerst getheoretiseerd, en werden gevorderd door de uitvinding van chirped-pulse amplification (CPA), een techniek ontwikkeld aan de LLE door Nobelprijswinnaars Donna Strickland en Gerard Mourou 2018.

Eerdere versies van LWFA, echter, traditioneel gebruikt, ongestructureerde lichtpulsen die zich langzamer voortplanten dan de lichtsnelheid, wat betekende dat de elektronen het kielzog zouden ontlopen, hun versnelling beperken. De nieuwe gebeeldhouwde lichtpulsen maken snelheden mogelijk die sneller zijn dan het licht, zodat elektronen voor onbepaalde tijd in het kielzog kunnen rijden en voortdurend worden versneld.

"Dit werk is extreem innovatief en zou een game changer zijn voor laserversnellers, " zegt Michael Campbell, directeur van de LLE. "Dit onderzoek toont de waarde aan van theoretische en experimentele plasmafysica in nauwe samenwerking met uitstekende laserwetenschappers en ingenieurs - het vertegenwoordigt het beste van de cultuur van LLE."