Una serie di nuovi sistemi laser e aggiornamenti proposti presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia (DOE) stimoleranno i piani a lungo termine per un collisore di particelle ad altissima energia più compatto ed economico.

I progressi su questi sistemi laser e acceleratori laser potrebbero anche fornire molti spin-off, come un nuovo strumento per cacciare materiali radioattivi, e un sistema laser a elettroni liberi miniaturizzato e altamente sintonizzabile che consente una serie di esperimenti scientifici.

Questi sforzi sono delineati in un rapporto del workshop sponsorizzato dal DOE che si concentra su una serie di road map di 10 anni progettate per avviare la ricerca e lo sviluppo alla guida di un collisore di particelle di nuova generazione per la fisica delle alte energie. L'obiettivo finale è una macchina in grado di esplorare la fisica oltre la portata del Large Hadron Collider (LHC) del CERN. Il più potente collisore di oggi, l'LHC ha permesso la scoperta del bosone di Higgs che ha portato al Premio Nobel 2013 per la fisica.

L'LHC, con un anello principale di 17 miglia di circonferenza, fa scontrare protoni, particelle subatomiche liberate dal centro degli atomi, a energie di collisione fino a 13 trilioni di elettronvolt (13 TeV).

Nel frattempo, proposte per collisori lineari di prossima generazione farebbero scontrare gli elettroni e le loro antiparticelle, positroni, a energie più basse, da poche centinaia di miliardi di elettronvolt (GeV) fino a pochi TeV. E mentre le energie di collisione di queste macchine sarebbero inferiori a quelle dell'LHC, la fisica delle loro collisioni elettrone-positrone sarebbe complementare, consentendo più specifici, misurazioni dettagliate per alcune proprietà e fenomeni delle particelle.

Costruire un collisore elettrone-positrone a livello di TeV con l'odierna tecnologia di accelerazione è possibile ma sarebbe costoso a causa delle sue grandi dimensioni (la sua impronta probabilmente misurerebbe più di 20 miglia).

Nel tentativo di ridurre la portata e i costi associati di un collisore di nuova generazione, l'Office of High Energy Physics all'interno dell'Office of Science del DOE ha riunito più di due dozzine di esperti del DOE e di tutto il paese per preparare un rapporto sulla strategia di sviluppo dell'acceleratore avanzato che fissa obiettivi per tre tecnologie di accelerazione potenzialmente rivoluzionarie nei prossimi 10 anni.

Tra le altre raccomandazioni, il rapporto evidenzia la necessità di ricerca e sviluppo in BELLA, l'acceleratore laser Berkeley Lab, che si basa su una di queste tre tecnologie:un acceleratore di wakefield al plasma guidato da laser (LWFA). Questa forma di accelerazione utilizza uno o più laser per accelerare gli elettroni ad alte energie.

Altri due concetti di accelerazione di wakefield in fase di sviluppo altrove:uno per un acceleratore guidato da fasci di particelle, l'altro per un acceleratore dielettrico wakefield, sono anch'essi inclusi nella road map.

Sono in fase di sviluppo altre tecniche di accelerazione che esulano dallo scopo del rapporto, compreso uno sforzo di ricerca e sviluppo con sede al CERN chiamato AWAKE che sta esplorando l'accelerazione del wakefield al plasma guidata da protoni.

I nuovi approcci all'accelerazione delle particelle approvati nel rapporto offrono tutti potenziali modi per ridurre gli acceleratori di particelle ad alta energia creando compatti, dense onde di plasma, formate in calde, gas altamente carichi, che accelerano rapidamente gruppi di elettroni posizionati con precisione come un surfista che cavalca un'onda oceanica.

I ricercatori BELLA hanno già dimostrato una configurazione LWFA modulare per raggiungere alte energie, e ora stanno lavorando per migliorarlo. L'obiettivo a breve termine delineato nel rapporto è raggiungere energie del fascio di elettroni di 10 GeV, rispetto all'attuale record mondiale di BELLA di 4,3 GeV.

"Una volta che avremo fasci da 10 GeV si aprirà una serie completamente nuova di cose. Sarà un grande passo avanti, " disse Wim Leemans, direttore della divisione di tecnologia degli acceleratori e fisica applicata del laboratorio. L'obiettivo di 10 GeV è significativo perché rappresenta una soglia energetica per la generazione di fasci di positroni ad alta carica, che sarebbe necessario per un collisore di nuova generazione.

La road map LWFA, Leemans ha detto, "ci dà un'ancora nell'intero programma di accelerazione" delineato per il complesso di laboratori nazionali del DOE.

Il team BELLA perseguirà due diversi approcci per raggiungere questo obiettivo da 10 GeV:una configurazione a stadio singolo acceleratore che utilizza un singolo laser, e un approccio in due fasi con due laser separati.

Il primo stadio aumenterà l'energia del fascio di elettroni a 5 GeV, e il secondo stadio accelererà il raggio di altri 5 GeV, a 10GeV. La seconda linea di luce BELLA per la configurazione a due travi potrebbe essere realizzata entro la fine del 2018 come indicato nella relazione sulla road map, a condizione che siano disponibili finanziamenti.

Il rapporto rileva che oltre ai progressi nella tecnologia degli acceleratori, ci devono essere anche nuovi sviluppi nella tecnologia laser, e attrezzature di supporto come specchi, per realizzare questo nuovo tipo di collisore.

BELLA ora utilizza cristalli di zaffiro drogati con titanio per produrre la sua luce laser. Per raggiungere energie molto più elevate, e potenza media del raggio, il rapporto DOE raccomanda di perseguire altri tipi di laser, come la fibra ottica, stato solido, o laser ad anidride carbonica, tra gli altri approcci.

Una sfida tecnologica chiave per BELLA è rendere i suoi impulsi più rapidi, passando da una velocità attuale di circa 1 impulso al secondo a una velocità di circa 1, 000 al secondo, o 1 kilohertz (in uno sviluppo futuro chiamato "K-BELLA").

In definitiva, una frequenza cardiaca di 10, 000 o 100, 000 al secondo sarebbe l'ideale per un collisore di nuova generazione, disse Carl Schroeder, uno scienziato senior del Berkeley Lab che guida gli sforzi teorici e di modellazione per gli esperimenti BELLA e ha lavorato su progetti concettuali e modellazione per questo collisore LWFA.

Se il suo sforzo di ricerca e sviluppo ha successo, L'energia massima di BELLA dovrebbe essere sufficiente per raggiungere il traguardo di accelerazione di 10 GeV, disse Anthony Gonsalves, uno scienziato dello staff del Berkeley Lab che lavora su BELLA. "Abbiamo un sacco di spazio nel 'serbatoio':c'è molto spazio in termini di energia che non abbiamo ancora esplorato".

Oltre a lavorare per sviluppare approcci a uno e due raggi a un LWFA da 10 GeV, lo sviluppo del Lab di un nuovo, tipo compatto di laser a elettroni liberi (FEL) e una sorgente di raggi gamma portatile separata - per iniziare i test il prossimo anno - potrebbero essere le prime importanti applicazioni della tecnologia LWFA se gli sforzi avranno successo.

I FEL sono fonti di luce altamente sintonizzabili che possono aiutare a esplorare la materia fino alle scale atomiche e molecolari con impulsi ultraluminosi misurati in femtosecondi, o quadrilionesimi di secondo. Il progetto FEL cerca di miniaturizzare i FEL a raggi X sostituendo una struttura di accelerazione convenzionale lunga un chilometro con un acceleratore di wakefield lungo meno di 10 metri.

La sorgente di raggi gamma al plasma, nel frattempo, potrebbe rivelarsi uno strumento utile e portatile per rilevare materiali nucleari.

Schroeder ha detto, "Il FEL e la sorgente di raggi gamma sono riconosciuti come le prime applicazioni di questa tecnologia. I sistemi laser per questi esperimenti saranno commissionati questo inverno.

"La tabella di marcia delinea un ricco programma per il prossimo decennio, " ha aggiunto Leemans. "Sono in fase di sviluppo concetti chiave per i futuri collisori al plasma, e BELLA, con aggiornamenti, consentirà la sperimentazione e lo sviluppo di molti di questi concetti."