Met behulp van een combinatie van meerdere laserbundels hebben onderzoekers van de Universiteit van Osaka hoogwaardige elektronen- en ionenversnelling aangetoond, die essentieel is voor toekomstige compacte versnellers met hoge energie en röntgenbronnen met hoge helderheid.

De afgelopen jaren heeft lasergestuurde deeltjesversnelling veel aandacht getrokken als compact alternatief voor conventionele radiofrequentieversnellers die worden gebruikt in hoogenergetische natuurkundige experimenten en medische faciliteiten. Lasergestuurde versnelling is gebaseerd op de interactie van intense laserpulsen met plasma's, dit zijn geïoniseerde gassen. Wanneer een laserpuls met hoog vermogen in wisselwerking staat met een plasma, kan deze sterke elektrische en magnetische velden genereren die elektronen en ionen tot zeer hoge energieën kunnen versnellen.

Een van de uitdagingen bij lasergestuurde versnelling is echter het behouden van de kwaliteit van de versnelde deeltjes. Wanneer een enkele laserpuls wordt gebruikt om deeltjes te versnellen, kan het versnellingsproces onstabiel zijn, wat leidt tot variaties in de energie en trajecten van de versnelde deeltjes. Dit kan de toepassingen van lasergestuurde versnelling in praktische omgevingen beperken.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, hebben onderzoekers van de Universiteit van Osaka, onder leiding van professor Yasuhiko Sentoku, een nieuwe aanpak onderzocht met behulp van meerdere laserbundels. Door een enkele laserpuls in meerdere straaltjes te splitsen en deze vervolgens op een specifieke manier opnieuw te combineren, konden de onderzoekers een stabielere en gecontroleerde versnelling van elektronen en ionen bereiken.

In hun experimenten gebruikten de onderzoekers een krachtig lasersysteem genaamd de "10 PW Laser Facility" van het Institute of Laser Engineering (ILE), Universiteit van Osaka. Het lasersysteem kan ultra-intensieve laserpulsen leveren met een piekvermogen van 10 petawatt (PW), wat overeenkomt met het totale elektriciteitsverbruik van de hele Verenigde Staten.

Door meerdere laserbundels te gebruiken, observeerden de onderzoekers een verbeterde versnelling van zowel elektronen als ionen vergeleken met het geval van een enkele laserpuls. De versnelde elektronen bereikten energieën van verschillende GeV, terwijl de versnelde ionen energieën van verschillende MeV bereikten. De kwaliteit van de versnelde deeltjes, in termen van hun energiespreiding en hoekdivergentie, was aanzienlijk beter bij gebruik van meerdere laserbundels.

De verbetering in de deeltjesversnellingsprestaties werd toegeschreven aan de stabielere en gecontroleerdere interactie tussen de meerdere laserbundeltjes en het plasma. Het gebruik van meerdere bundeltjes zorgde voor een betere controle van de laserintensiteit en faseverdeling, wat resulteerde in een efficiëntere versnelling en verbeterde straalkwaliteit.

Het onderzoeksteam is van mening dat het gebruik van meerdere laserbundels de weg kan vrijmaken voor de ontwikkeling van laseraangedreven deeltjesversnellers van de volgende generatie die compact, efficiënt zijn en in staat zijn deeltjesbundels van hoge kwaliteit te produceren. Dergelijke versnellers zouden een breed scala aan toepassingen kunnen hebben, waaronder fundamenteel onderzoek in de hoge-energiefysica, compacte stralingsbronnen voor medische en industriële doeleinden, en geavanceerde beeldvormingstechnieken zoals röntgenmicroscopie en tomografie.