Een nieuwe faciliteit die de weg zou kunnen effenen voor een toekomstige generatie deeltjesversnellers en krachtige lichtbronnen is ingeschakeld in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy. Werkend als een DOE-gebruikersfaciliteit, FACET-II is de enige faciliteit ter wereld die in staat is om hoogenergetische elektronen- en positronenbundels te leveren voor het onderzoeken van een breed scala aan revolutionaire versnellertechnologieën die toekomstige versnellers met een factor 100 tot 1 zouden kunnen verkleinen. 000 en hun capaciteiten aanscherpen.

"Deeltjesversnellers zijn de ultieme microscopen, " zegt Mark Hogan, FACET-II projectwetenschapper. "We kunnen ze gebruiken om hoogenergetische stralen te maken die we kunnen laten botsen om de kleinste deeltjes en de krachten die het universum bij elkaar houden te begrijpen, of we kunnen de stralen heen en weer wiebelen om krachtige uitbarstingen van röntgenstralen te creëren waarmee we foto's kunnen maken van ultrakleine, ultrasnelle atomaire processen om biologie en scheikunde te begrijpen. FACET-II zal ons helpen nieuwe technologieën te ontwikkelen waarmee we machines kunnen bouwen die kleiner, goedkoper en krachtiger."

Surf's Up

Het project is een upgrade van de Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit die actief was van 2011 tot 2016, toen de faciliteit werd ontmanteld om plaats te maken voor upgrades van de röntgenvrije-elektronenlaser van het laboratorium, de Linac coherente lichtbron (LCLS). FACET-II bouwt voort op de successen van FACET, waar wetenschappers hebben aangetoond dat een techniek die plasma-wakefield-versnelling wordt genoemd, de energie van elektronen en hun antimateriedeeltjes kan verhogen, positronen. Bij deze methode, onderzoekers sturen een stel hoogenergetische deeltjes door een heet geïoniseerd gas, of plasma, een plasma-wake creëren voor een achterblijvende groep om op te "surfen", op korte afstand tot extreem hoge energieën stijgen.

In conventionele versnellers, deeltjes halen energie uit een radiofrequent veld in metalen constructies. Aangezien deze structuren slechts een beperkte energiewinst per afstand kunnen dragen voordat ze kapot gaan, versnellers moeten extreem lang zijn om hogere energieën te bereiken en zijn duur om te bouwen. De plasma-wakefield-benadering heeft het potentieel om de omvang en de kosten van deeltjesversnellers drastisch te verkleinen. Toekomstige plasmaversnellers kunnen, bijvoorbeeld, ontvouw hetzelfde acceleratievermogen als SLAC's 2 mijl lange koperen lineaire versneller (linac) in slechts een paar meter.

De volgende generatie

In de loop van twee jaar, bemanningen van SLAC installeerden een ultramoderne elektronenbron met hoge helderheid en nieuwe compressorsystemen voor elektronenbundels voor het produceren van intense stralen. Ze hebben ook de controlesystemen van de faciliteit geüpgraded en tools geïnstalleerd om de eigenschappen van de straal te analyseren.

FACET-II zal bundels van zeer energetische elektronen produceren zoals zijn voorganger, maar met nog betere kwaliteit. De nieuwe faciliteit gebruikt een derde van de SLAC-linac - die elektronen van de bron aan de ene kant naar het experimentele gebied aan de andere kant stuurt - om een ​​elektronenstraal te genereren met een energie van 10 miljard elektronvolt. Het ontwerp stelt onderzoekers ook in staat om de mogelijkheid toe te voegen om positronen te produceren en te versnellen, wat onderzoekers in staat zou stellen meer inzicht te krijgen in plasma-wakefield-versnelling en de ontwikkeling van op plasma gebaseerde elektronen-positrondeeltjesversnellers te informeren die ons begrip van de fundamentele deeltjes en krachten van de natuur zouden verbeteren.

"Als we plasma-wakefield-versnelling gaan gebruiken om een ​​elektron-positron-botser te maken voor hoge-energiefysica, we moeten eerst begrijpen hoe we positronen in plasma kunnen versnellen, Hogan zegt. "SLAC is het enige laboratorium met de infrastructuur die nodig is om positronenbundels te leveren voor dit onderzoek. We hopen deze mogelijkheid de komende jaren online te brengen, waardoor FACET-II zich onderscheidt van alle andere faciliteiten ter wereld."

De faciliteit zal wetenschappers ook helpen bij het ontwerpen van een nieuwe generatie lichtbronnen, zoals helderder dan ooit röntgenlasers, en leiden tot verbeteringen aan bestaande röntgenlasers, zoals LCLS. Deze krachtige ontdekkingsmachines bieden wetenschappers een ongeëvenaarde kijk op de steeds veranderende atoomwereld en openen nieuwe wegen die variëren van hoogenergetische fysica tot medicijnen en potentiële voordelen bieden voor onderzoek in materialen, biologische en energiewetenschap.

"FACET-II inschakelen is als het openen van een deur waar nog nooit iemand achter heeft gekeken, " zegt projectdirecteur Vitaly Yakimenko, FACET-divisiedirecteur en adjunct-directeur voor wetenschap in de Accelerator-divisie van SLAC. "Het zal elektronenstralen produceren die honderd keer intenser zijn dan alles wat eerder is geweest en geheel nieuwe wetenschappelijke kansen creëren."

Innovatie stimuleren

Als een DOE-gebruikersfaciliteit, FACET-II zal ongeveer zes maanden per jaar werken, het leveren van straal aan ongeveer 25 experimenten en het ontvangen van ongeveer 250 onderzoekers van universiteiten, industrie en andere nationale laboratoria.

In de komende maanden, de FACET-II programma-adviescommissie zal de gereedheid controleren van de eerste experimenten die zijn gekozen voor straaltijd en een tweede ronde van voorstellen beoordelen om in de wachtrij te komen voor opkomende wetenschap. tot januari, teams werken eraan om alle onderdelen van FACET-II online te krijgen en de straal de juiste energie en kwaliteit te geven. Terwijl teams nieuwe experimentele hardware installeren, gebruikers zullen parallel werken om ervoor te zorgen dat alles goed werkt en de juiste signalen oppikt.

Bij de eerste experimenten zal naar verwachting in februari van start gaan, onderzoekers zullen manieren onderzoeken om de bundelkwaliteit te behouden, het verbeteren van plasma-wakefield-acceleratietechnieken en het genereren en versnellen van positronen. Ze zullen ook Trojan Horse-II ontwikkelen, een update van een bestaande techniek die een intense elektronenstraal kan produceren door elektronen in plasma te "sluipen".

FACET-II zou mogelijk ook inzicht kunnen bieden in nieuwe en onverwachte fysica, zoals gammaflitsen, de meest energetische vorm van elektromagnetische straling, en sterkveldkwantumelektrodynamica (QED), beide spelen een belangrijke rol bij extreme astrofysische fenomenen zoals kosmische straling en exploderende sterren.

Andere wetenschappelijke doelen zijn onder meer compacte wakefield-versnellers die bepaalde elektrische isolatoren gebruiken in plaats van plasma, evenals machine learning-technieken die de fysica van deze krachtige elektronenstralen nauwkeurig zullen meten en simuleren om onderzoekers te helpen de ultrakorte bundels te begrijpen en te beheersen, verhoging van de efficiëntie en wetenschappelijke productiviteit van de gebruikersprogramma's.

"Ons lab is gebouwd op versnellertechnologie en blijft innovaties in het veld stimuleren, " zegt Bruce Dunham, hoofd van het directoraat Accelerator van SLAC. "FACET-II is een baanbrekende faciliteit die ons zal helpen om voorop te blijven lopen op het gebied van acceleratorwetenschap."