Costruire acceleratori di particelle da tavolo per sbloccare nuovi ambiti di ricerca
Annunci
Utilizzando laser ad alta intensità, i ricercatori hanno compiuto un passo importante verso la miniaturizzazione degli acceleratori di particelle, dimostrando l'amplificazione laser di elettroni liberi a lunghezze d'onda ultraviolette estreme (27-50 nm), con una lunghezza di accelerazione di pochi millimetri. Generando fasci di elettroni monoenergetici di alta qualità (cioè fasci in cui tutti gli elettroni hanno quasi la stessa energia), è stata raggiunta una pietra miliare verso le tecnologie degli acceleratori compatti.
Configurazione sperimentale di prova utilizzata per generare un laser a elettroni liberi (FEL) nell'ultravioletto estremo (XUV) guidato da un fascio di elettroni ad accelerazione di campo laser (LWFA). Un intenso impulso laser, generato dal sistema laser a monte, viene focalizzato su un bersaglio a getto di gas supersonico per produrre un plasma. Gli elettroni vengono intrappolati e accelerati dall'onda di plasma (cioè il campo di scia del laser) creata nel plasma, generando un fascio di elettroni ad alta energia. Questo fascio di elettroni viene trasportato attraverso una linea di trasporto a un ondulatore a valle, dove subisce oscillazioni trasversali nel campo magnetico periodico, generando il FEL nella regione XUV.
Tomonao Hosokai
Il team di ricerca guidato dall'Istituto di Ricerca Scientifica e Industriale dell'Università di Osaka (SANKEN), in collaborazione con l'Istituto Kansai per la Scienza dei Fotoni (KPSI), gli Istituti Nazionali per la Scienza e la Tecnologia Quantistica (QST), il Centro SPring-8 di RIKEN (RSC), l'Organizzazione per la Ricerca sugli Acceleratori ad Alta Energia (KEK), ha utilizzato una tecnica chiamata accelerazione laser wakefield per creare onde di plasma che generano campi elettrici acceleranti estremamente forti, grazie a onde all'interno del plasma che viaggiano quasi alla velocità della luce. Questi potenti campi elettrici sono più di 1000 volte più forti degli acceleratori convenzionali.
"Il nostro lavoro ha apportato diversi miglioramenti sostanziali rispetto alle tecniche precedenti, consentendoci di ottenere un'amplificazione laser a elettroni liberi a lunghezze d'onda ultraviolette estreme", spiega l'autore principale Zhan Jin. "Abbiamo utilizzato la modellazione degli impulsi laser per migliorare la precisione della messa a fuoco. In combinazione con i nostri ugelli di gas supersonici appositamente sviluppati, possiamo creare fronti d'onda più stabili, consentendo un controllo preciso della sorgente di plasma".
L'utilizzo dell'amplificazione laser a elettroni liberi in questo modo è essenziale per ridurre la distanza necessaria per accelerare gli elettroni. I sistemi convenzionali possono richiedere centinaia di metri, ma i potenti campi generati dall'accelerazione laser wakefield possono potenzialmente ridurre questa distanza a pochi millimetri. Questi risultati dimostrano che l'accelerazione laser wakefield si sta avvicinando alle prestazioni richieste dagli acceleratori di elettroni pratici e di alta qualità. La dimostrazione di questo risultato a lunghezze d'onda ultraviolette estreme è una pietra miliare importante, ma il team di ricerca intende spingersi ancora oltre.
"L'accelerazione laser wakefield è stata a lungo considerata impraticabile, a causa della difficoltà di stabilizzare il plasma su cui si basa", spiega l'autore senior Tomonao Hosokai. "Abbiamo migliorato notevolmente la stabilità e la qualità dei nostri fasci di elettroni, il che ci permetterà di miniaturizzare drasticamente i futuri acceleratori, aprendo la possibilità di creare laser a elettroni liberi a raggi X compatti". Questo lavoro dimostra che l'accelerazione laser wakefield può avere prestazioni pari a quelle degli acceleratori di elettroni ad alta energia.
La dimostrazione del funzionamento del laser a elettroni liberi nell'estremo ultravioletto è un primo passo cruciale verso l'estensione della tecnologia a lunghezze d'onda più corte, che consentirà di realizzare laser a elettroni liberi a raggi X compatti. Queste sorgenti di luce eccezionalmente potenti generano raggi X coerenti 10 miliardi di volte più luminosi del sole e producono impulsi ultracorti di femtosecondi. Il loro uso è attualmente limitato a grandi strutture, ma la miniaturizzazione di questi laser ne consentirebbe l'uso nei laboratori convenzionali. Attualmente, l'accelerazione laser del campo di scia è uno dei modi più promettenti per raggiungere questo obiettivo. Il lavoro svolto dal team di ricerca per stabilizzare il plasma su cui si basano questi acceleratori è un passo essenziale verso questo obiettivo.
Gli strumenti di dimensioni ridotte sono essenziali per la ricerca quotidiana e lo sviluppo di acceleratori compatti e di laser a elettroni liberi a raggi X consentirà di compiere progressi in campi quali le scienze della vita, la scienza dei materiali, lo sviluppo dei semiconduttori e la scienza quantistica. La costruzione di acceleratori da tavolo consentirebbe ai piccoli laboratori di svolgere ricerche che attualmente richiedono strutture di accelerazione su larga scala.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Altre notizie dal dipartimento scienza
