Rekordowa energia w kompaktowym akceleratorze cząstek

Dzięki laserowi BELLA – wyjątkowemu urządzeniu, o którego powstaniu informowaliśmy przed rokiem – udało się przyspieszyć cząstki subatomowe do energii niespotykanych wcześniej w kompaktowych plazmowych akceleratorach laserowych. Akceleratory takie to przyszłość fizyki cząstek. W przyszłości te mieszczące się na dużym stole urządzenia mogą zastąpić potężne, wielokilometrowej długości akceleratory.

Naukowcy z Lawrence Berkeley National Lab przyspieszyli właśnie elektrony do energii 4,25 GeV (gigaelektronowolt). Energię taką uzyskały one w stworzonej z plazmy tubie o długości zaledwie 9 centymetrów. To oznacza, że uzyskany gradient energetyczny był 1000-krotnie większy niż w tradycyjnych akceleratorach.

Zwykłe akceleratory, takie jak np. Wielki Zderzacz Hadronów, przyspieszają cząstki dzięki modulacjom pola magnetycznego. W takim rozwiązaniu gradient energetyczny jest ograniczony do około 100 MeV (megaelektronowolt) na metr. Użyte materiały rozpadną się przy większych energiach.

Laserowe akceleratory plazmowe działają inaczej. W przypadku BELLI impuls światła trafia do tuby wypełnionej plazmą. Światło tworzy w plazmie tunel, powstaje też fala, która przechwytuje wolne elektrony i przyspiesza je do dużych energii.

Uczeni z Berkeley Lab mogą świętować sukces dzięki niezwykłym właściwościom BELLI. „Z odległości około 14 metrów trafiliśmy w otwór o średnicy 500 mikrometrów. BELLA jest wystarczająco stabilna, by było to możliwe” - mówi szef zespołu badawczego, doktor Wim Leemans. Przypomina też, że BELLA osiąga pełną moc co sekundę. „Wiele laserów nie ma takich możliwości” - dodaje Leemans. Trzeba tutaj przypomnieć, że BELLA generuje impulsy światła o mocy 1 petawata. Inne tak potężne lasery potrzebują kilkudziesięciu minut na wygenerowanie kolejnego impulsu.

Przy tak wysokich energiach naukowcy musieli najpierw przeprowadzić symulacje komputerowe, by sprawdzić, jak różne parametry pracy lasera wpłyną na wyniki. „Małe zmiany w konfiguracji mogą skutkować dużymi zakłóceniami” - wyjaśnia Eric Esarey, odpowiedzialny za część teoretyczną badań.

W niedalekiej przyszłości zespól Leemansa chce jeszcze bardziej przyspieszyć elektrony. Jego celem jest osiągnięcie energii rzędu 10 GeV. Aby tego dokonać konieczne jest lepsze kontrolowanie gęstości plazmy.

BELLA laser laserowy akcelerator plazmowy Wielki Zderzacz Hadronów