Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hebben een grote uitbreiding van een van 's werelds krachtigste lasersystemen voltooid, waardoor nieuwe kansen zijn ontstaan ​​in versnelleronderzoek voor de toekomst van hoge-energiefysica en andere gebieden. De uitbreiding creëerde een tweede bundellijn voor de petawatt-laser in het Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center, waardoor de ontwikkeling van deeltjesversnellers van de volgende generatie voor toepassingen in de wetenschap, geneeskunde, veiligheid en industrie mogelijk werd. De tweede bundellijn kwam deze zomer online en is het hoogtepunt van een aantal jaren van planning, ontwerp en engineering door de BELLA- en engineeringteams.

"We zijn blij dat de bouw is voltooid en staan ​​te popelen om te beginnen met de grote verscheidenheid aan spannende experimenten die mogelijk worden gemaakt door de tweede bundellijn", zegt Eric Esarey, directeur van het BELLA Center.

Licht gebruiken om deeltjes te verplaatsen

Traditionele versnellers gebruiken radiofrequente elektromagnetische velden om deeltjes geleidelijk te versnellen over afstanden van tientallen kilometers en zijn daardoor vaak enorm en erg duur. De Large Hadron Collider bij CERN, de beroemde internationale deeltjesversneller, versnelt bijvoorbeeld deeltjes langs een cirkelvormig pad van meer dan 26 mijl lang, een monumentale prestatie die miljarden dollars kost om te bouwen en te exploiteren.

In het BELLA Center versnellen wetenschappers geladen deeltjes met elektrische velden die worden gegenereerd door een krachtige laser die in wisselwerking staat met een plasma, waardoor een zogenaamde laser-plasmaversneller (LPA) ontstaat. Het team gebruikt een laser van één petawatt die een straal van zeer korte pulsen of "kogels" licht produceert, één per seconde, die elk ongeveer honderd keer krachtiger zijn dan een typische bliksemschicht. Wanneer de laserstraal door plasma (een gasachtige soep van geladen deeltjes) gaat, zet het een bewegende golf op, en een geladen deeltje dat in die golf wordt geplaatst, wordt dan voortgestuwd, zoals een surfer op een oceaangolf. Deze "wakefield"-benadering kan versnellingen produceren die tot duizend keer groter zijn dan die van conventionele versnellers, waardoor LPA's een veelbelovende kandidaat zijn voor de volgende generatie kleinere, goedkopere versnellers.

Een krachtig hulpmiddel voor de ontwikkeling van versnellertechnologie

De tweede bundellijn is ontworpen om zeer afstembaar te zijn, in staat om een ​​breed scala aan laserspotgroottes te produceren, met pulsduur en pulsenergieën die onafhankelijk kunnen worden gevarieerd. De twee bundellijnen zijn bedoeld om samen te worden gebruikt, waardoor het systeem een ​​krachtig en veelzijdig hulpmiddel is voor wetenschap en de ontwikkeling van versnellertechnologie. Om de nieuwe bundellijn te maken, heeft het team een ​​deel van de hoofdlaserstraal afgesplitst en door een reeks optica geleid om een ​​tweede straal van korte, krachtige lichtpulsen te genereren die een tweede wakefield kunnen creëren.

Het systeem is met name ontworpen om de visie van het team mogelijk te maken om meerdere LPA-modules te organiseren om de hoge elektronenstraal-energieën te bereiken die nodig zijn voor deeltjesversnellers, waarbij het wakefield van de tweede bundellijn wordt gebruikt om deeltjes die van de eerste komen verder te versnellen. Momenteel lopen de eerste experimenten om dit doel te bereiken. In hun langetermijnvisie stelt het team voor om extra laseraangedreven modules te stapelen om versnellers met extreem hoge energieën te creëren, waardoor de volgende generatie natuurkundige ontdekkingen mogelijk wordt tegen een fractie van de kosten en omvang.

Met de dubbele bundellijnen kunnen bijvoorbeeld ook methoden worden onderzocht om de energie-efficiëntie van LPA's te verbeteren. De tweede bundellijnlaserpuls kan worden geconfigureerd om alle overgebleven energie in het eerste bundellijnplasma die niet wordt gebruikt door het versnellingsproces te absorberen en vervolgens naar een energieterugwinningssysteem te worden gestuurd. Marlene Turner, een wetenschapper in het BELLA Center, ontving een prestigieuze prijs voor vroege carrière van DOE om aan dit concept te werken. "Zonder de tweede bundellijn zou mijn onderzoek, dat gericht is op het verminderen van het stroomverbruik en de milieu-impact van toekomstige plasmaversnellers, niet mogelijk zijn", zei Turner.

De dubbele bundellijnen kunnen ook in andere configuraties worden gebruikt. De tweede bundellijn kan bijvoorbeeld worden gebruikt om deeltjes te versnellen om die van de eerste bundellijn te verstrooien, waardoor natuurkundigen de exotische fysica die ontstaat kunnen onderzoeken.

"De precisie die deze twee laserbundellijnen bieden, waarbij femtoseconde timing en ruimtelijke nauwkeurigheid op micronschaal worden gecombineerd, is ongekend bij piekvermogensniveaus van petawatt-klasse, en zal experimenten op LPA-staging mogelijk maken, evenals andere vooruitgang in plasmaversnelling, zoals laserafstemming van plasmaversnellende structuren, lasergebaseerde methoden voor deeltjesinjectie, fotonenproductie met hoge energie door laserverstrooiing en fundamentele studies in kwantumelektrodynamica met een hoog veld, "zei Tony Gonsalves, de hoofdwetenschapper van het BELLA petawatt-team. "Het is een groot probleem."

De kracht van teamwetenschap

Berkeley Lab staat bekend als een krachtpatser van teamwetenschap, en dit nieuwe BELLA-project was een voorbeeld van dit ethos. Het kernteam dat aan dit project werkt, bestaat op elk moment uit tien tot vijftien mechanische ingenieurs, elektrotechnici en onderzoekswetenschappers, evenals een wisselende cast van andere belangrijke spelers, waaronder specialisten op het gebied van radiologische veiligheid en seismische ingenieurs. Dit heeft ervoor gezorgd dat de upgrade met twee laserstraallijnen niet alleen state-of-the-art wetenschap creëert, maar ook wordt uitgevoerd op een veilige, goed ontworpen en duurzame manier die een continue productiviteit voor vele jaren mogelijk zal maken.

Het team werd geconfronteerd met een groot deel van de uitdagingen als gevolg van de COVID-19-pandemie, waardoor hun faciliteit tijdelijk werd gesloten. Na de heropening moest het team in ploegendiensten werken en een ticketsysteem gebruiken om een ​​veilige dichtheid van werknemers te behouden. Alleen al het binnenhalen van een team van Franse ingenieurs om een ​​compressorkamer te installeren, kostte het grootste deel van een jaar vanwege pandemiegerelateerde beperkingen.

"Het is een lange weg geweest om dit op gang te krijgen, en een veel langere weg vanwege COVID", zei Gonsalves. "Als je zou tellen hoeveel mensen dit project hebben aangeraakt, zou het een heel groot aantal zijn. We hebben geluk dat we deze indrukwekkende infrastructuur van mensen bij het Lab hebben om een ​​project als dit mogelijk te maken."

Exotische fysica en alledaagse toepassingen

Deeltjesversnellers zijn ontdekkingshulpmiddelen die wetenschappers gebruiken om de structuur van materie te onderzoeken door deeltjes samen te breken met voldoende energie om ze uit elkaar te halen, wat ons helpt te begrijpen waaruit het universum bestaat en de krachten die het bij elkaar houden. Het uiteindelijke doel van de nieuwe bundellijn is om een ​​nieuwe versnellertechnologie te ontwikkelen waarmee botsers hogere energieën kunnen bereiken. Deze vragen gaan veel verder dan het onderzoeken van zichtbare materie, die in feite maar een klein deel van het universum uitmaakt. Er is vijf keer meer onzichtbare donkere materie in het universum dan zichtbare materie, en versnellers met hogere energie kunnen mogelijk zware donkere materiedeeltjes produceren, zodat hun eigenschappen kunnen worden bestudeerd.

Ook het nationale veiligheidsveld besteedt aandacht aan deze ontwikkelingen in nieuwe versnellertechnologie. De huidige technologieën voor het screenen op nucleair materiaal in havens, voor nucleaire verdragen en andere toepassingen zijn beperkt in precisie. Op laser gebaseerde versnellertechnologie zou echter kunnen worden gebruikt om de afstembare gammastralen of hoogenergetische muonen te produceren die nodig zijn om nucleaire verbindingen of andere materialen nauwkeurig te detecteren, en de technologie zou in een kleine, draagbare eenheid kunnen passen.

Fundamentele studies in de materiaalwetenschap zouden ook veel baat hebben bij de ontwikkeling van compacte bronnen van licht met een korte golflengte, zoals röntgenstralen, aangedreven door LPA's. Omdat de LPA intrinsiek korte elektronenbundels produceert, in de orde van femtoseconden, zijn ze ideaal om materialen op ultrasnelle tijdschalen te onderzoeken.

Een andere opwindende toepassing van laserversnelling is bij kankerbestralingstherapie, waar de medische gemeenschap ontdekt dat kortere doses sterkere straling minder schade toebrengen aan gezonde weefsels, ook wel bekend als het 'flitseffect'. Deze lasersystemen kunnen een revolutie teweegbrengen in de bestralingstherapie.

"Ik ben erg opgewonden om de grote verscheidenheid aan wetenschap en toepassingen te zien die mogelijk worden gemaakt door de tweede bundellijn van BELLA. Deze zijn transversaal en kunnen een aantal programma's in het Office of Science, het ministerie van Defensie, de National Institutes of Gezondheid, maar ook in de industrie", zegt Cameron Geddes, directeur van Accelerator Technology and Applied Physics Division van Berkeley Lab. + Verder verkennen

Wereldrecordversnelling:nul tot 7,8 miljard elektronvolt in 8 inch