Vijfentwintig meter onder de grond opent SLAC National Accelerator Laboratory-wetenschapper Spencer Gessner een grote metalen picknickmand. Dit is niet de typische picknickmand gevuld met kaas, brood en fruit; hij bevat schroeven, bouten, stalen buizen en vele andere onderdelen en stukken die deeltjes met bijna de snelheid van het licht transporteren. De componenten zijn precies gerangschikt om een ​​belangrijke taak te vervullen:helpen bundels snel bewegende elektronen te voeden in het materiaal waaruit de zon is gemaakt:plasma.

"We proberen hier de volgende generatie kleine, krachtige deeltjesversnellers te bouwen", zegt Gessner. "Het doel is om deeltjes op kortere afstanden naar hogere energieën te duwen. Dit zou kunnen helpen bij het ontwerpen van compacte versnellers die in een universitair laboratorium of ziekenhuis passen, of een optie kunnen zijn voor een hoogenergetische deeltjesbotser in de toekomst."

Gessner en vele andere onderzoekers bij SLAC en over de hele wereld willen toekomstige versnellers 100 tot 1000 keer kleiner maken dan traditionele versnellers. Het doel is niet noodzakelijkerwijs om de krachtigste versnellerfaciliteiten ter wereld te vervangen, maar eerder om een ​​nieuwe optie te bieden aan mensen en plaatsen die op zoek zijn naar toegang tot versnellerwetenschap, en mogelijk bestaande, ultramoderne versnellers te verbeteren. Kleinere, minder krachtige röntgenvrije-elektronenlasers (XFEL's) zouden bijvoorbeeld een geavanceerd wetenschappelijk hulpmiddel kunnen zijn voor het onderzoeken van materie op atomaire schaal in de handen van veel meer wetenschappers.

Gessner werkt bij SLAC's Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests II (FACET-II), die voornamelijk gericht is op een techniek die plasma wakefield-versnelling wordt genoemd. Bij plasma-wakefield-versnelling sturen onderzoekers bundels deeltjes door plasma, een extreem heet geïoniseerd gas dat vaak is gemaakt van helium- of waterstofionen, zoals de zon.

"Wanneer de straal door het plasma gaat, ontstaat er een zog, vergelijkbaar met de zog die ontstaat achter een boot die door het water op een meer vaart," zei Gessner. "We kunnen dan elektronen in het plasma-zog injecteren en deze deeltjes bewegen zich mee op de golf en bereiken hogere energieën over kortere afstanden."

FACET-II gebruikt een deel van SLAC's twee mijl lange lineaire versneller om deze elektronenbundels te genereren. Op hun hoogtepunt zijn de stralen zo intens dat geen enkel materiaal ze kan weerstaan. De extreme velden van de straal rukken elektronen van atomen af ​​en verdampen onmiddellijk al het materiaal dat zich in het pad van de straal bevindt. De oplossing is om in de eerste plaats te beginnen met een plasma, dat de beperkingen van conventionele materialen wegneemt en een zeer hoge versnelling mogelijk maakt.

Maar het duwen van deeltjes naar extreem hoge energieën op kortere afstanden brengt veel uitdagende problemen met zich mee. Onderzoekers blijven vooruitgang boeken in de richting van het oplossen van deze problemen en het omzetten van wat klinkt als sciencefiction in werkelijkheid.

Onderzoek naar plasmaversnelling, verleden en toekomst

Het experimentele werk met plasma-wakefield-versnelling begon ongeveer twintig jaar geleden bij SLAC, hoewel er al sinds eind jaren zeventig en begin jaren tachtig in de kranten over het algemene concept werd gesproken. Er zijn over de hele wereld drie hoofdtypen plasma-wakefield-onderzoek gaande, gegroepeerd op de krachtbron die het zog creëert:een elektronenstraal, een krachtige laserstraal of een protonenstraal.

Een van de eerste vragen die onderzoekers moesten beantwoorden was of het überhaupt mogelijk was om het theoretische idee van plasma-wakefields in het laboratorium werkelijkheid te maken, zei FACET-II-directeur Mark Hogan. Onderzoekers konden deze taak eind jaren negentig bij SLAC volbrengen en waren de eersten die de GeV-barrière doorbraken, het energieniveau dat doorgaans alleen wordt geassocieerd met zeer grootschalige installaties. Ze namen een handvol elektronen en versnelden deze met zeer hoge energieën met behulp van plasma-wakefields.

Hogan zei dat onderzoekers vervolgens met de volgende grote vraag werden geconfronteerd:hoe kunnen we van een handvol deeltjes met een breed energiebereik naar een straal deeltjes met een relatief lage energiespreiding gaan. Dit betekent dat ervoor moet worden gezorgd dat elektronen niet overal in een versneller worden verspreid, maar in plaats daarvan samen in een dicht pakket reizen. Onderzoekers hebben deze taak in de jaren 2010 volbracht bij FACET, de faciliteit voorafgaand aan FACET-II, zei Hogan.

"Dus nu is de vraag voor FACET-II:kun je al deze dingen tegelijk doen - de grote velden benutten om hoge energiebundels te maken met een lage energiespreiding - en ook een hoogwaardige straal over langere afstanden maken," zei Hogan. . "Dit is een belangrijke vraag die we momenteel onderzoeken bij FACET-II:kunnen we de kwaliteit van elektronenbundels behouden terwijl we hun energie zeer snel verhogen over betekenisvolle afstanden?"

Als we nog verder vooruitkijken, zullen wetenschappers moeten uitzoeken hoe ze veel plasmaversnellersecties aan elkaar kunnen rijgen om ongelooflijk hoge energieën te bereiken die nodig zijn voor de toekomstige deeltjesfysica. "Terwijl je voor het bouwen van een XFEL die afhankelijk is van versnelling van het plasma-wakefield misschien maar één plasmafase nodig hebt, heb je om energie op deeltjesbotsingsniveau te bereiken veel fasen nodig", aldus Hogan.

Helderheid van de straal regelen

Eerder dit jaar heeft een team van SLAC, de Universiteit van Strathclyde en andere instellingen een grote stap voorwaarts gezet in het onderzoek naar plasma-wakefield-versnelling. Ze ontwikkelden een computersimulatie die liet zien hoe een plasmaversneller nauwkeurige elektronenbundels van hoge kwaliteit kan genereren door de helderheid van een bundel te regelen.

Het beheren van de helderheid van de straal is een uitdaging omdat er drie belangrijke parameterwaarden zijn die aanzienlijk veranderen gedurende het pad waarop deeltjes reizen. Het model van het team liet zien hoe deze parameters vanaf het begin van het experiment konden worden geoptimaliseerd, toen de straal zich nog in het plasma bevond.

Concreet berekende het onderzoeksteam hoe de elektronenhelderheid kon worden beheerd door de straalstroom te regelen, die beschrijft uit hoeveel elektronen de straal bestaat; emittantie, dat is hoe de elektronen zich verspreiden terwijl ze zich door de ruimte voortplanten; en energiespreiding, die het bereik van de snelheden van de elektronen beschrijft. Ze publiceerden hun resultaten in Nature Communications .

"Met dit model kunnen we testen hoe we de emissie en helderheid van elektronenbundels in ons compacte ontwerp kunnen verbeteren, misschien met ordes van grootte", zegt Hogan, co-auteur van het artikel. "Het extraheren van elektronenbundels uit plasmaversnellers met behoud van de kwaliteit ervan is cruciaal voor onze missie in de hoge-energiefysica en voor de röntgenwetenschap."

In de toekomst zullen onderzoekers proberen hybride configuraties van een compacte XFEL te bouwen – een versie die interactie tussen meerdere röntgenlaserpulsen en ultraheldere bundels mogelijk zou kunnen maken. FACET-II zou de plek kunnen zijn om deze hybride ideeën te testen, nu het start-tot-eind simulatieraamwerk is opgezet, aldus de onderzoekers.

Een lang podium instellen

Een nieuwe stap voorwaarts in het plasma-wakefield-versnellingsonderzoek kwam onlangs toen onderzoekers lieten zien hoe plasma-versnellertrappen aan elkaar konden worden gekoppeld om een ​​langere, krachtigere versneller te maken. Dit type versneller zou in de toekomst kunnen worden gebruikt om bundels met extreem hoge energie te creëren bij een deeltjesbotser.

Het onderzoeksteam, waartoe ook SLAC-wetenschapper Alexander Knetsch en onderzoekers van het Polytechnisch Instituut van Parijs en andere intuïties behoorden, liet zien hoe je meerdere aandrijfstralen kunt gebruiken om de straalkwaliteit te behouden en de energie te verhogen.

Bij hun methode leidt een aandrijfstraal de weg door het plasma, waardoor een zog ontstaat – het standaardidee bij plasma-wakefield-versnelling. Achter deze aandrijfbundel volgt de primaire elektronenbundel, de achterwaartse bundel genaamd, die voor experimenten naar hoge energieën zal worden geduwd – wederom de standaardbenadering. Maar na verloop van tijd verliest de aandrijfbalk energie, zoals een voorste fietser energie verliest nadat hij tegen de wind heeft gevochten voor de renners achter hem. Het onderzoeksteam liet daarom zien hoe je de oude, vermoeide aandrijfbalk kunt vervangen door een nieuwe, frisse aandrijfbalk. Deze techniek zorgt ervoor dat de achterliggende elektronenbundel energie blijft winnen.

Het vervangen van de oude aandrijfbalk door een nieuwe is echter moeilijker dan het vervangen van een leidende wielrenner tijdens een wielerwedstrijd. De oude aandrijfbalk beweegt nog steeds met bijna de snelheid van het licht, dus om de omschakeling te maken, maakt de methode gebruik van dipoolmagneten die een chicane vormen, d.w.z. twee wegen, de ene langer dan de andere, die elkaar ontmoeten nadat ze zijn gescheiden. Chicanes zorgen ervoor dat de aandrijfbalk uit de weg beweegt, terwijl de achterbalk doorgaat met een nieuwe aandrijfbalk.

Bovendien lieten onderzoekers zien hoe dat bundelpakket door elke plasmafase kon worden getransporteerd met behulp van focusserende lenzen die ervoor zorgen dat de achterbundel op pad blijft terwijl de aandrijfbundel wordt verwisseld. De onderzoekers publiceerden in september een artikel waarin het idee werd beschreven in Physical Review Letters .

Nog een idee voor een compacte versneller

Naast de versnelling van het plasma-wakefield hebben onderzoekers ook andere ideeën voor manieren om deeltjes op kortere afstanden te versnellen. Een van deze ideeën zal worden ontwikkeld aan de Arizona State University (ASU), met medewerking van SLAC's Emilio Nanni en anderen. Het ontwerp maakt gebruik van lasers (in plaats van alleen maar magneten) om elektronen in een XFEL te bewegen en krachtige röntgenstralen te produceren die nodig zijn voor experimenten.

In traditionele XFEL's bewegen sterke magneten een deeltjesbundel heen en weer om röntgenstraling te genereren. De lijn magneten kan lang zijn, wat betekent dat de totale FEL-lengte lang zal zijn. Maar wat als een FEL geen volledige reeks magneten nodig had om deeltjes te laten dansen en röntgenstraling uit te zenden? Dit is de vraag die heeft geleid tot het ontwerp van de compacte XFEL, die een laserstraal gebruikt om de deeltjesbundel te raken, waardoor de straal beweegt en krachtige röntgenstralen produceert. Door de lasers zijn er mogelijk minder wiebelmagneten nodig, wat resulteert in een kortere FEL als het idee in de praktijk uitkomt.

De compacte XFEL zal binnen de komende vijf jaar worden gebouwd op de ASU Tempe-campus. Het bouwen van kleine, compactere versnellers is een goede zaak voor de wetenschap, aldus onderzoekers. Dit betekent dat meer mensen en plaatsen toegang krijgen tot deeltjesversnellers, die de afgelopen 100 jaar een van de belangrijkste instrumenten in de wetenschap zijn geweest.

Het einde van de regel

Terug in de acceleratietunnel sluit Spencer Gessner het deksel van de picknickmand en loopt naar een lange tafel. Hier staat collega SLAC-wetenschapper Doug Storey op een laptop en bekijkt de prestatiegegevens van de straal. De tabel wordt de beam dump-tabel genoemd en is het belangrijkste post-plasma diagnostische gebied voor het meten van wat er met de elektronenbundel is gebeurd na versnelling van het plasma-wakefield, zei Storey.

'Deze tafel is waar het rubber de weg raakt, om zo te zeggen', zei hij. "Het beschikt over een aantal diagnostische camera's die de belangrijkste parameters meten die nodig zijn voor de succesvolle demonstratie van plasma-wakefield-versnelling."

De camera's op de tafel lijken op stopborden op een kruispunt. Ze zijn op staven gemonteerd en wijzen in verschillende richtingen, waarbij ze elk verschillende soorten gegevens verzamelen over de energie van de versnelde straal tot op een kleine fractie van een procent en de vlekgrootte van de straal tot minder dan een paar micrometer, wat belangrijke indicatoren zijn voor de helderheid van de straal. , zei Storey. Bovendien bekijken sommige camera's de röntgen- en gammastraling die worden geproduceerd wanneer de straal door plasma gaat. Deze informatie helpt wetenschappers begrijpen hoe ze de kwaliteit van de plasmaversnelling kunnen verbeteren, aldus Storey.

Storey kijkt weer naar zijn laptop en gaat weer aan de slag. Gessner loopt langs hem heen, terug naar het begin van de faciliteit. Hij gaat voorop bij het verlaten van de versneller, waar de volgende generatie kleinere, krachtige versnellers aan het bakken is.

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , Natuurcommunicatie

Geleverd door SLAC National Accelerator Laboratory