Combinando un primo impulso laser per riscaldare e "forare" attraverso un plasma, e un altro per accelerare gli elettroni a energie incredibilmente alte in appena decine di centimetri, gli scienziati hanno quasi raddoppiato il record precedente per l'accelerazione delle particelle guidata dal laser.

Gli esperimenti laser-plasma, condotto presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia (Berkeley Lab), stanno spingendo verso tipi di accelerazione di particelle più compatti e convenienti per alimentare esotici, macchine ad alta energia, come i laser a elettroni liberi a raggi X e i collisori di particelle, che potrebbero consentire ai ricercatori di vedere più chiaramente alla scala delle molecole, atomi, e persino particelle subatomiche.

Il nuovo record di propulsione di elettroni a 7,8 miliardi di elettronvolt (7,8 GeV) presso il Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center supera un risultato di 4,25 GeV al BELLA annunciato nel 2014. L'ultima ricerca è dettagliata nell'edizione del 25 febbraio della rivista Lettere di revisione fisica . Il risultato record è stato raggiunto durante l'estate del 2018.

L'esperimento ha utilizzato impulsi laser "driver" incredibilmente intensi e brevi, ciascuno con una potenza di picco di circa 850 trilioni di watt e limitato a una lunghezza di impulso di circa 35 quadrilionesimi di secondo (35 femtosecondi). La potenza di picco è equivalente all'accensione simultanea di circa 8,5 trilioni di lampadine da 100 watt, anche se le lampadine sarebbero state accese solo per decine di femtosecondi.

Ogni intenso impulso laser del driver ha prodotto un pesante "calcio" che ha suscitato un'onda all'interno di un plasma, un gas che è stato riscaldato abbastanza da creare particelle cariche, compresi gli elettroni. Gli elettroni cavalcavano la cresta dell'onda di plasma, come un surfista che cavalca l'onda dell'oceano, per raggiungere energie da record all'interno di un tubo di zaffiro lungo 20 centimetri.

"La creazione di grandi onde di plasma non era sufficiente, " ha osservato Anthony Gonsalves, l'autore principale dell'ultimo studio. "Avevamo anche bisogno di creare quelle onde su tutta la lunghezza del tubo di 20 centimetri per accelerare gli elettroni a un'energia così elevata".

Per fare ciò è necessario un canale al plasma, che confina un impulso laser più o meno allo stesso modo in cui un cavo in fibra ottica canalizza la luce. Ma a differenza di una fibra ottica convenzionale, un canale al plasma può resistere agli impulsi laser ultra intensi necessari per accelerare gli elettroni. Per formare un tale canale plasmatico, devi rendere il plasma meno denso nel mezzo.

Nell'esperimento del 2014 una scarica elettrica è stata utilizzata per creare il canale del plasma, ma per raggiungere energie più elevate i ricercatori avevano bisogno che il profilo di densità del plasma fosse più profondo, quindi è meno denso nel mezzo del canale. In precedenti tentativi il laser ha perso la sua messa a fuoco e ha danneggiato il tubo di zaffiro. Gonsalves ha notato che anche le aree più deboli del fuoco del raggio laser, le sue cosiddette "ali", erano abbastanza forti da distruggere la struttura dello zaffiro con la tecnica precedente.

Eric Esarey, Direttore del Centro BELLA, ha affermato che la soluzione a questo problema è stata ispirata da un'idea degli anni '90 di utilizzare un impulso laser per riscaldare il plasma e formare un canale. Questa tecnica è stata utilizzata in molti esperimenti, compreso uno sforzo del Berkeley Lab del 2004 che ha prodotto fasci di alta qualità che raggiungono i 100 milioni di elettronvolt (100 MeV).

Sia il team del 2004 che il team coinvolto nell'ultimo sforzo erano guidati dall'ex direttore del centro ATAP e BELLA Wim Leemans, che ora è al laboratorio DESY in Germania. I ricercatori si sono resi conto che la combinazione dei due metodi e l'inserimento di un raggio di riscaldamento al centro del capillare consente di approfondire e restringere ulteriormente il canale del plasma. Ciò ha fornito un percorso verso il raggiungimento di fasci di energia più elevata.

Nell'ultimo esperimento, Gonsalves ha detto, "La scarica elettrica ci ha fornito un controllo eccellente per ottimizzare le condizioni del plasma per l'impulso laser del riscaldatore. I tempi della scarica elettrica, impulso del riscaldatore, e il polso del conducente era critico."

La tecnica combinata ha migliorato radicalmente il confinamento del raggio laser, preservando l'intensità e la messa a fuoco del laser di guida, e limitando la sua dimensione spot, o diametro, a solo decine di milionesimi di metro mentre si muoveva attraverso il tubo del plasma. Ciò ha consentito l'uso di un plasma a bassa densità e un canale più lungo. Il precedente record di 4,25 GeV aveva utilizzato un canale di 9 centimetri.

Il team aveva bisogno di nuovi modelli numerici (codici) per sviluppare la tecnica. Una collaborazione che include Berkeley Lab, il Keldysh Institute of Applied Mathematics in Russia, e il progetto ELI-Beamlines nella Repubblica Ceca ha adattato e integrato diversi codici. Hanno combinato MARPLE e NPINCH, sviluppato al Keldysh Institute, simulare la formazione del canale; e INF&RNO, sviluppato presso il Centro BELLA, modellare le interazioni laser-plasma.

"Questi codici ci hanno aiutato a vedere rapidamente cosa fa la differenza più grande:quali sono le cose che ti consentono di ottenere guida e accelerazione, " disse Carlo Benedetti, lo sviluppatore principale di INF&RNO. Una volta dimostrato che i codici concordano con i dati sperimentali, è diventato più facile interpretare gli esperimenti, ha notato.

"Ora è il punto in cui le simulazioni possono portare e dirci cosa fare dopo, " disse Gonsalves.

Benedetti ha notato che i pesanti calcoli nei codici hanno attinto alle risorse del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) al Berkeley Lab. Il lavoro futuro che spinge verso un'accelerazione a maggiore energia potrebbe richiedere calcoli molto più intensivi che si avvicinano a un regime noto come calcolo a esascala.

"Oggi, i fasci prodotti potrebbero consentire la produzione e la cattura di positroni, " che sono le controparti caricate positivamente degli elettroni, disse Esarey.

Ha notato che c'è un obiettivo per raggiungere energie di 10 GeV nell'accelerazione degli elettroni a BELLA, e futuri esperimenti mireranno a questa soglia e oltre.

"Nel futuro, più stadi ad alta energia di accelerazione degli elettroni potrebbero essere accoppiati insieme per realizzare un collisore elettrone-positrone per esplorare la fisica fondamentale con nuova precisione, " Egli ha detto.