SLAC sta aggiornando la sua Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET), un banco di prova per nuove tecnologie che potrebbero rivoluzionare il modo in cui costruiamo acceleratori di particelle. FACET-II utilizzerà il terzo medio dell'acceleratore lineare lungo 2 miglia del laboratorio (piano terra SLAC in alto). Invierà un fascio di elettroni (in basso, linea blu) dalla sorgente di elettroni (in basso a sinistra) all'area sperimentale (in basso a destra), dove arriverà con un'energia di 10 miliardi di elettronvolt. Il design consente di aggiungere la capacità di produrre e accelerare positroni (fondo, linea rossa) più tardi. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)
Lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha iniziato a assemblare una nuova struttura per tecnologie di accelerazione rivoluzionarie che potrebbero rendere i futuri acceleratori 100 a 1, 000 volte più piccoli e potenziare le loro capacità.
Il progetto è un aggiornamento della Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET), una struttura utente DOE Office of Science che ha operato dal 2011 al 2016. FACET-II produrrà fasci di elettroni altamente energetici come il suo predecessore, ma con una qualità ancora migliore. Questi fasci saranno utilizzati principalmente per sviluppare tecniche di accelerazione del plasma, che potrebbe portare a collisori di particelle di prossima generazione che migliorano la nostra comprensione delle particelle e delle forze fondamentali della natura e ai nuovi laser a raggi X che ci forniscono una visione senza precedenti dei processi ultraveloci nel mondo atomico che ci circonda.
FACET-II sarà una struttura unica che aiuterà a mantenere gli Stati Uniti all'avanguardia nella scienza degli acceleratori, ha detto Vitaly Yakimenko di SLAC, direttore del progetto. "I suoi fasci di alta qualità ci consentiranno di sviluppare nuovi metodi di accelerazione, " ha detto. "In particolare, quegli studi ci porteranno vicino a trasformare l'accelerazione del plasma in applicazioni scientifiche reali".
Il DOE ha ora approvato il progetto da 26 milioni di dollari (Critical Decisions 2 e 3). La nuova struttura, che dovrebbe essere completato entro la fine del 2019, opererà anche come struttura per gli utenti dell'Office of Science, una struttura di ricerca sponsorizzata dal governo federale per la ricerca avanzata sugli acceleratori disponibile su un mercato competitivo, base peer-reviewed agli scienziati di tutto il mondo.
"In quanto struttura di utenza nazionale strategicamente importante, FACET-II ci consentirà di esplorare la fattibilità e le applicazioni della tecnologia degli acceleratori al plasma, " disse James Siegrist, direttore associato del programma High Energy Physics (HEP) dell'Office of Science del DOE, che gestisce la ricerca e lo sviluppo di acceleratori avanzati negli Stati Uniti per lo sviluppo di applicazioni nella scienza e nella società. "Non vediamo l'ora di vedere la scienza rivoluzionaria in questo settore che FACET-II promette, con il potenziale per una significativa riduzione delle dimensioni e dei costi dei futuri acceleratori, compresi laser a elettroni liberi e acceleratori medici".
Bruce Dunham, capo della direzione degli acceleratori dello SLAC, disse, "Il nostro laboratorio è stato costruito sulla tecnologia degli acceleratori e continua a promuovere innovazioni sul campo. Siamo entusiasti di vedere FACET-II andare avanti".
I ricercatori utilizzeranno FACET-II per sviluppare il metodo di accelerazione del wakefield al plasma, in cui i ricercatori inviano un mucchio di particelle molto energetiche attraverso un gas ionizzato caldo, o plasma, creando una scia di plasma per un gruppo finale su cui "navigare" e guadagnare energia. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Navigare sul Plasma Wake
La nuova struttura si baserà sui successi di FACET, dove gli scienziati hanno già dimostrato che la tecnica del plasma può aumentare in modo molto efficiente l'energia degli elettroni e delle loro particelle di antimateria, positroni. In questo metodo, i ricercatori inviano un mucchio di particelle molto energetiche attraverso un gas ionizzato caldo, o plasma, creando una scia di plasma per un gruppo finale su cui "navigare" e guadagnare energia.
Negli acceleratori convenzionali, le particelle traggono energia da un campo a radiofrequenza all'interno di strutture metalliche. Però, queste strutture possono supportare solo un guadagno di energia limitato per distanza prima di rompersi. Perciò, gli acceleratori che generano energie molto elevate diventano molto lunghi, e molto costoso. L'approccio al plasma wakefield promette di aprire nuove strade. I futuri acceleratori di plasma potrebbero, Per esempio, dispiega la stessa potenza di accelerazione dello storico acceleratore in rame (linac) lungo 2 miglia di SLAC in pochi metri.
I ricercatori utilizzeranno FACET-II per sviluppi cruciali prima che gli acceleratori di plasma possano diventare una realtà. "Dobbiamo dimostrare che siamo in grado di preservare la qualità del raggio mentre passa attraverso il plasma, " ha detto Mark Hogan di SLAC, Scienziato del progetto FACET-II. "I fasci di alta qualità sono un requisito assoluto per le future applicazioni nella fisica delle particelle e dei laser a raggi X".
La struttura FACET-II è attualmente finanziata per funzionare con elettroni, ma il suo design consente di aggiungere la capacità di produrre e accelerare i positroni in un secondo momento, un passo che consentirebbe lo sviluppo di collisori di particelle elettrone-positrone basati sul plasma per esperimenti di fisica delle particelle.
Un altro obiettivo importante è lo sviluppo di nuove sorgenti di elettroni che potrebbero portare a sorgenti luminose di prossima generazione, come i laser a raggi X più luminosi che mai. Queste potenti macchine di scoperta forniscono agli scienziati una visione senza precedenti del mondo atomico in continua evoluzione e aprono nuove strade per la ricerca in chimica, biologia e scienza dei materiali.
Altri obiettivi scientifici per FACET-II includono acceleratori wakefield compatti che utilizzano determinati isolanti elettrici (dielettrici) invece del plasma, nonché strumenti diagnostici e computazionali che misureranno e simuleranno accuratamente la fisica dei potenti fasci di elettroni della nuova struttura. Gli obiettivi scientifici vengono sviluppati con il contributo regolare della comunità di utenti di FACET.
I futuri collisori di particelle richiederanno metodi di accelerazione altamente efficienti sia per gli elettroni che per i positroni. Accelerazione del campo di scia del plasma di entrambi i tipi di particelle, come mostrato in questa simulazione, potrebbe portare a collisori più piccoli e più potenti delle macchine odierne. Credito:F. Tsung/W. An/UCLA; Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
"L'approvazione di FACET-II è una pietra miliare entusiasmante per la comunità scientifica, " disse Chandrashekhar Joshi, un ricercatore dell'Università della California, Los Angeles, e collaboratore di lunga data del team di accelerazione del plasma di SLAC. "La struttura spingerà i confini della scienza degli acceleratori, scoprire una fisica nuova e inaspettata e contribuire in modo sostanziale allo sforzo coordinato della nazione nella ricerca e sviluppo di acceleratori avanzati."
Accesso rapido ai primi esperimenti
Per completare la struttura, gli equipaggi installeranno una sorgente di elettroni e magneti per comprimere i fasci di elettroni, oltre a nuove schermature, ha detto Carsten Hast di SLAC, Direttore tecnico FACET-II. "Aggiorneremo anche i sistemi di controllo della struttura e installeremo strumenti per analizzare le proprietà del raggio".
FACET-II utilizzerà un chilometro (un terzo) del linac SLAC, inviando elettroni dalla sorgente a un'estremità all'area sperimentale all'altra estremità, per generare un fascio di elettroni con un'energia di 10 miliardi di elettronvolt che guiderà il versatile programma di ricerca della struttura.
FACET-II ha pubblicato il suo primo invito a presentare proposte per esperimenti che verranno eseguiti quando la struttura sarà online nel 2020.
"Il team di progetto ha svolto un lavoro eccezionale nel garantire l'approvazione del DOE per la struttura, " ha detto Hannibal Joma del DOE, direttore del progetto federale per FACET-II. "Ora consegneremo il progetto in tempo per il programma utente di SLAC".
Selina Green di SLAC, responsabile del progetto, disse, "Dopo due anni di duro lavoro, è molto eccitante vedere finalmente il progetto venire insieme. Grazie al continuo supporto del DOE saremo presto in grado di aprire FACET-II per una nuova scienza rivoluzionaria".
