Gli acceleratori di particelle all'avanguardia del mondo stanno spingendo gli estremi in fasci ad alta luminosità e impulsi ultracorti per esplorare la materia in modi nuovi.

Per ottimizzare le loro prestazioni e per prepararsi a strutture di prossima generazione che spingeranno ulteriormente questi estremi, gli scienziati hanno ideato un nuovo strumento in grado di misurare la luminosità di questi raggi, anche per impulsi che durano solo femtosecondi (quadrilionesimi di secondo) o attosecondi (quintilionesimi di secondo). Confrontare 1 attosecondo con 1 secondo è come confrontare 1 secondo con 31,7 miliardi di anni.

Questo strumento può anche misurare le dimensioni del raggio entro poche decine di nanometri (miliardesimi di metro), senza interrompere gli esperimenti che si basano su questi raggi.

Il nuovo strumento, soprannominato un "monitoraggio della densità di carica, " potrebbe anche fornire misure più precise della fisica fondamentale negli esperimenti con fasci ad alta energia e ad alto campo, e aiuta a guidare gli sforzi di ricerca e sviluppo che cercano di ridurre le dimensioni e il costo degli impianti di collisione e accelerazione di particelle, aumentando al contempo le loro capacità.

La ricerca che utilizza questa diagnostica proposta potrebbe anche avere un impatto su discipline che vanno dalla scienza del plasma alla fisica atomica, e potrebbe portare a nuove applicazioni e rivelare nuova fisica.

Presso il Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, i ricercatori sperano di testare questo strumento misurando le proprietà delle particelle all'indomani di un intenso raggio laser che perfora un getto di gas. Così facendo, sperano di conoscere l'impulso del fascio di elettroni che emerge da questa interazione.

"BELLA fornisce un banco di prova ideale per valutare il potenziale del metodo di misurazione del raggio in un acceleratore avanzato all'avanguardia, poiché miriamo a produrre i lampi ultracorti più luminosi possibili di elettroni con la nostra tecnologia di acceleratore compatto, " disse Wim Leemans, direttore del BELLA Center e della divisione Accelerator Technology &Applied Physics presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

"Fornirebbe uno strumento potente per misurare e migliorare le travi di BELLA".

Leemans ha guidato il team di collaboratori del Berkeley Lab come parte di un team internazionale in uno studio tecnico che descriveva in dettaglio il nuovo metodo, pubblicato nel numero del 10 maggio della rivista Revisione fisica X .

Roxana Tarkeshian, ricercatore presso l'Università di Berna e in precedenza presso l'Istituto Paul Scherrer, è stato l'autore principale dello studio e ha perseguito il nuovo metodo diagnostico dal 2015, con il supporto di Thomas Feurer, professore all'Università di Berna ed esperto di tecnologia laser e fisica spaziale.

"Le sue misurazioni ultrasensibili ad alta risoluzione, e il suo basso costo e compattezza sono tra i suoi punti di forza, " ha detto Tarkeshian.

Lo studio descrive in dettaglio come fasci di particelle intense possono attraversare un gas neutro a bassa densità, sottraendo elettroni dagli atomi di gas attraverso i forti campi elettrici associati a intensi fasci di particelle. Durante il processo si forma una nuvola di materia ionizzata (caricata) nota come plasma, contenente ioni ed elettroni.

La risoluzione "senza precedenti" della tecnica per la durata e la dimensione dei singoli impulsi sia per i fasci di elettroni che per i fasci di positroni si riferisce a un effetto in cui piccoli cambiamenti nella luminosità del fascio da poche percentuali a decine di percento possono risultare da decine a centinaia di volte maggiori ioni generati in presenza di un campo elettrico, ha notato Tarkeshian.

Il processo è simile a quello che accade quando un intenso, raggio laser focalizzato o impulso di raggi X interagisce con un gas e ionizza gli atomi. Ma ci sono importanti differenze nella fisica di questo processo di ionizzazione per fasci di luce (fotoni) rispetto ad altri tipi di fasci di particelle.

Con raggi di luce, elettroni e ioni (particelle cariche) sono prodotti in tutta l'impronta del raggio, e gli elettroni associati al plasma hanno una velocità relativamente bassa e tendono a rimanere sospesi attorno alla colonna di ioni finché non vengono trascinati via da un campo elettrico esterno. Gli ioni con cariche positive quindi si spostano nella direzione opposta e possono essere misurati.

Per fasci di particelle di elettroni (caricati negativamente) o di positroni (caricati positivamente), la forma del campo elettrico ricorda una ciambella e produce una colonna di plasma a forma di anello, senza ioni inizialmente rimasti nel percorso del raggio, il foro della ciambella. Questi fasci di particelle possono fornire un potente calcio agli elettroni, che può lasciare dietro di sé una colonna di ioni a forma di anello. E quegli ioni possono essere guidati via da un campo elettrico verso un rivelatore che misura il numero di ioni, la loro velocità, e il loro stato di carica.

L'ultimo studio mostra che il nuovo strumento di misurazione può anche raccogliere maggiori informazioni sul raggio stesso da questa "ciambella ionica" nelle giuste condizioni operative, con la giusta densità e miscela di gas, Per esempio.

Il team ha effettuato simulazioni sofisticate utilizzando un codice informatico perfezionato dal Berkeley Lab noto come WARP e un altro codice noto come VSim. I ricercatori hanno modellato l'interazione di fasci di particelle e fotoni con i gas e la conseguente dinamica correlata al plasma.

"Le simulazioni ci hanno permesso di ingrandire lo spazio e il tempo, dalla scala centimetrica fino alla dimensione submicronica del raggio, e seguire le dinamiche e le distribuzioni di elettroni e ioni in diverse scale temporali, " ha detto Jean-Luc Vay, uno scienziato senior al Berkeley Lab che ha contribuito al codice WARP e guida l'Accelerator Modeling Program nella divisione ATAP del laboratorio.

Vay ha notato che gli aspetti del codice si sono rivelati fondamentali per la modellazione accurata e la comprensione delle differenze tra gli effetti dei fasci di particelle rispetto ai fasci di fotoni, e nel trovare il modo migliore per mettere a punto e far funzionare il sistema.

Una volta implementato il sistema diagnostico completo sui sistemi di accelerazione, le simulazioni aiuteranno a verificare la realtà delle misurazioni effettive negli esperimenti e aiuteranno a sviluppare un percorso per l'ottimizzazione delle prestazioni del raggio.

"I piccoli cambiamenti potrebbero essere risolti in modo molto preciso, " lei disse, sulla base delle misurazioni dei singoli impulsi del raggio.

La tecnica proposta apre anche la possibilità di studiare le dinamiche indotte dalla carica nella materia, e può fornire maggiori informazioni sulle scale temporali dei processi atomici o molecolari fondamentali studiati con impulsi di fotoni ad attosecondi, lei disse, inclusa una proprietà nota come tunneling quantistico in cui una particella può sembrare "tunnel" spontaneamente attraverso la potenziale barriera dell'atomo a dispetto della fisica classica.

E Tarkeshian sottolinea che la diagnostica proposta potrebbe rivelarsi utile per i laser a elettroni liberi a raggi X esistenti (XFEL) come il FEL a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory, lo stabilimento FLASH di DESY in Germania, lo SwissFEL presso l'Istituto Paul Scherrer (PSI) in Svizzera, tra gli altri, e strutture in costruzione come la LCLS-II a SLAC.

Per esempio, un prototipo è stato installato presso LCLS con il supporto e i contributi dello scienziato SLAC Patrick Krejcik e un team del PSI per diagnosticare l'ultracorto, fasci di elettroni ad alta energia prodotti dal suo acceleratore.

Tarkeshian ha notato che sono stati sviluppati altri strumenti per fornire misurazioni delle proprietà dell'acceleratore e del raggio XFEL, ma poiché gli impulsi dei raggi accumulano sempre più intensità ed energia in impulsi sempre più brevi, saranno necessari nuovi strumenti per stare al passo con questi raggi estremi.

Ha accreditato alcuni decenni di lavoro su una diagnostica proposta per un progetto di acceleratore di prova presso lo SLAC noto come Final Focus Test Beam, o FFTB, aprendo la strada a questo nuovo concetto di design.

"Nel nostro ultimo lavoro, abbiamo studiato non solo i concetti, ma abbiamo anche affrontato le sfide che questa tecnica può affrontare sperimentalmente, " ha detto Tarkeshian.

"È fantastico far rivivere questo concetto incompiuto di decenni fa con nuove idee, e con il supporto continuo possiamo realizzare il suo potenziale, " ha aggiunto. "Questo è un percorso molto aperto, e siamo solo all'inizio".

Leemans ha detto, "Riteniamo che la realizzazione pratica di questa tecnica innovativa alla fine sarà di ampio interesse per la fisica internazionale delle alte energie e per le comunità scientifiche generali guidate dagli acceleratori".