Dit soort versneller zou ook kunnen worden gebruikt om een ​​ander apparaat aan te drijven, een röntgenvrije elektronenlaser genaamd, die slow motion-films zou kunnen maken van processen op atomaire of moleculaire schaal. Voorbeelden van dergelijke processen zijn onder meer interacties tussen geneesmiddelen met cellen, veranderingen in batterijen waardoor ze in brand kunnen vliegen, chemische reacties in zonnepanelen en virale eiwitten die van vorm veranderen wanneer ze cellen infecteren.

Het concept voor wakefield-lasersnellers werd voor het eerst beschreven in 1979. Een extreem krachtige laser treft heliumgas, verwarmt het tot een plasma en creëert golven die elektronen uit het gas stoten in een hoogenergetische elektronenbundel.

De afgelopen decennia hebben verschillende onderzoeksgroepen krachtigere versies ontwikkeld. De belangrijkste vooruitgang van Hegelich en zijn team is afhankelijk van nanodeeltjes. Een hulplaser raakt een metalen plaat in de gascel, waardoor een stroom metalen nanodeeltjes wordt geïnjecteerd die de energie die door de golven aan de elektronen wordt geleverd, stimuleert.

De laser is als een boot die over een meer scheert en een zog achterlaat, en elektronen rijden als surfers op deze plasmagolf.

"Het is moeilijk om in een grote golf te komen zonder overmeesterd te worden, dus wake-surfers worden meegesleurd door jetski's," zei Hegelich. "In onze versneller zijn het equivalent van jetski's nanodeeltjes die elektronen vrijgeven op precies het juiste punt en precies op het juiste moment, dus ze zitten allemaal in de golf. We krijgen veel meer elektronen in de golf wanneer en waar we maar willen ze zijn, in plaats van statistisch verdeeld over de hele interactie, en dat is onze geheime saus."

Voor dit experiment gebruikten de onderzoekers een van 's werelds krachtigste gepulseerde lasers, de Texas Petawatt Laser, die op de UT staat en elk uur een ultra-intense lichtpuls afvuurt.

Een enkele petawatt-laserpuls bevat ongeveer 1000 keer het geïnstalleerde elektrische vermogen in de VS, maar duurt slechts 150 femtoseconden, minder dan een miljardste zo lang als een bliksemontlading.

Het langetermijndoel van het team is om hun systeem aan te drijven met een laser die ze momenteel aan het ontwikkelen zijn en die op een tafelblad past en duizenden keren per seconde herhaaldelijk kan vuren, waardoor de hele versneller veel compacter en bruikbaarder wordt in veel bredere omgevingen dan conventionele versnellers.

De co-eerste auteurs van het onderzoek zijn Constantin Aniculaesei, corresponderend auteur nu aan de Heinrich Heine Universiteit Düsseldorf, Duitsland; en Thanh Ha, promovendus aan de UT en onderzoeker bij TAU Systems. Andere faculteitsleden van de UT zijn de hoogleraren Todd Ditmire en Michael Downer.

Hegelich en Aniculaesei hebben een patentaanvraag ingediend waarin het apparaat en de methode worden beschreven om nanodeeltjes in een gascel te genereren. TAU Systems, voortgekomen uit het laboratorium van Hegelich, heeft een exclusieve licentie van de universiteit voor dit fundamentele patent.

Meer informatie: Constantin Aniculaesei et al, De versnelling van een elektronenbundel met een hoge lading tot 10 GeV in een door nanodeeltjes ondersteunde wakefield-versneller van 10 cm, Materie en straling bij extremen (2023). DOI:10.1063/5.0161687

Aangeboden door de Universiteit van Texas in Austin