In che modo i ricercatori esplorano la natura al suo livello più fondamentale? Costruiscono "supermicroscopi" in grado di risolvere dettagli atomici e subatomici. Questo non funzionerà con la luce visibile, ma possono sondare le più piccole dimensioni della materia con fasci di elettroni, o utilizzandoli direttamente in collisori di particelle o convertendo la loro energia in raggi X luminosi in laser a raggi X. Al centro di tali macchine scoperte scientifiche ci sono gli acceleratori di particelle che prima generano elettroni alla fonte e poi aumentano la loro energia in una serie di cavità dell'acceleratore.

Ora, un team internazionale di ricercatori, tra cui scienziati del Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia, ha dimostrato una sorgente di elettroni potenzialmente molto più brillante basata sul plasma che potrebbe essere utilizzata in ambienti più compatti, acceleratori di particelle più potenti.

Il metodo, in cui gli elettroni per il fascio vengono rilasciati da atomi neutri all'interno del plasma, è indicata come la tecnica del cavallo di Troia perché ricorda il modo in cui si dice che gli antichi greci abbiano invaso la città di Troia nascondendo i loro potenti soldati (elettroni) all'interno di un cavallo di legno (plasma), che è stato poi tirato in città (acceleratore).

"Il nostro esperimento mostra per la prima volta che il metodo del cavallo di Troia funziona davvero, " dice Bernhard Hidding dell'Università di Strathclyde a Glasgow, Scozia, il ricercatore principale di uno studio pubblicato oggi in Fisica della natura . "È uno dei metodi più promettenti per le future fonti di elettroni e potrebbe spingere i confini della tecnologia odierna".

Sostituzione del metallo con il plasma

Negli attuali acceleratori di ultima generazione, gli elettroni vengono generati facendo brillare la luce laser su un fotocatodo metallico, che espelle gli elettroni dal metallo. Questi elettroni vengono poi accelerati all'interno di cavità metalliche, dove traggono sempre più energia da un campo a radiofrequenza, producendo un fascio di elettroni ad alta energia. Nei laser a raggi X, come Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, il raggio guida la produzione di raggi X estremamente luminosi.

Ma le cavità metalliche possono supportare solo un guadagno di energia limitato su una data distanza, o gradiente di accelerazione, prima di crollare, e quindi gli acceleratori per fasci ad alta energia diventano molto grandi e costosi. Negli ultimi anni, gli scienziati dello SLAC e altrove hanno cercato modi per rendere gli acceleratori più compatti. hanno dimostrato, Per esempio, che possono sostituire le cavità metalliche con plasma che consente gradienti di accelerazione molto più elevati, potenzialmente riducendo la lunghezza dei futuri acceleratori da 100 a 1, 000 volte.

Il nuovo documento espande il concetto di plasma alla sorgente di elettroni di un acceleratore.

"Abbiamo già dimostrato che l'accelerazione del plasma può essere estremamente potente ed efficiente, ma non siamo ancora stati in grado di produrre travi di qualità sufficientemente elevata per applicazioni future, " afferma il coautore Mark Hogan di SLAC. "Migliorare la qualità del raggio è una priorità assoluta per i prossimi anni, e lo sviluppo di nuovi tipi di sorgenti di elettroni è una parte importante di ciò".

Secondo i calcoli precedenti di Hidding e colleghi, la tecnica del cavallo di Troia potrebbe produrre fasci di elettroni da 100 a 10, 000 volte più luminoso dei raggi più potenti di oggi. Fasci di elettroni più luminosi renderebbero anche i futuri laser a raggi X più luminosi e migliorerebbero ulteriormente le loro capacità scientifiche.

"Se siamo in grado di sposare le due spinte principali - alti gradienti di accelerazione nel plasma e creazione di raggi nel plasma - potremmo essere in grado di costruire laser a raggi X che dispiegano la stessa potenza su una distanza di pochi metri anziché chilometri, ", afferma il coautore James Rosenzweig, il ricercatore principale per il progetto cavallo di Troia presso l'Università della California, Los Angeles.

Produzione di fasci di elettroni superiori

I ricercatori hanno condotto il loro esperimento presso la Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET) di SLAC. La struttura, che è attualmente in fase di importante aggiornamento, genera impulsi di elettroni altamente energetici per la ricerca sulle tecnologie di accelerazione di nuova generazione, compresa l'accelerazione del plasma.

Primo, il team ha proiettato la luce laser in una miscela di idrogeno ed elio. La luce aveva energia appena sufficiente per togliere gli elettroni dall'idrogeno, trasformando l'idrogeno neutro in plasma. Non era abbastanza energico per fare lo stesso con l'elio, anche se, i cui elettroni sono più strettamente legati di quelli dell'idrogeno, quindi è rimasto neutro all'interno del plasma.

Quindi, gli scienziati hanno inviato uno dei fasci di elettroni di FACET attraverso il plasma, dove ha prodotto una scia di plasma, proprio come un motoscafo crea una scia quando scivola nell'acqua. Gli elettroni in coda possono "sorvolare" la scia e guadagnare enormi quantità di energia.

Più lavoro di ricerca e sviluppo in avanti

Ma prima che applicazioni come i laser a raggi X compatti possano diventare realtà, molta più ricerca deve essere fatta.

Prossimo, i ricercatori vogliono migliorare la qualità e la stabilità del loro raggio e lavorare su una migliore diagnostica che consentirà loro di misurare l'effettiva luminosità del raggio, invece di stimarlo.

Questi sviluppi saranno fatti una volta che l'aggiornamento FACET, FACET-II, è completato. "L'esperimento si basa sulla capacità di utilizzare un forte fascio di elettroni per produrre la scia di plasma, "dice Vitaly Yakimenko, direttore della Divisione FACET di SLAC. "FACET-II sarà l'unico posto al mondo che produrrà tali raggi con intensità ed energia sufficientemente elevate".

In questo studio, gli elettroni finali provenivano dall'interno del plasma (vedi l'animazione sopra e il filmato sotto). Proprio quando il gruppo di elettroni e la sua scia sono passati, i ricercatori hanno eliminato l'elio nel plasma con un secondo, flash laser ben focalizzato. Questa volta l'impulso di luce aveva abbastanza energia per cacciare gli elettroni dagli atomi di elio, e gli elettroni sono stati poi accelerati nella scia.

La sincronizzazione tra il fascio di elettroni, correndo attraverso il plasma con quasi la velocità della luce, e il lampo laser, della durata di pochi milionesimi di miliardesimo di secondo, è stato particolarmente importante e impegnativo, dice Aihua Deng dell'UCLA, uno degli autori principali dello studio:"Se il flash arriva troppo presto, gli elettroni che produce disturberanno la formazione della scia di plasma. Se arriva troppo tardi, la scia del plasma si è spostata e gli elettroni non verranno accelerati."

I ricercatori stimano che la luminosità del fascio di elettroni ottenuto con il metodo del cavallo di Troia può già competere con la luminosità delle sorgenti di elettroni all'avanguardia esistenti.

"Ciò che rende la nostra tecnica trasformativa è il modo in cui vengono prodotti gli elettroni, "dice Oliver Karger, l'altro autore principale, che era all'Università di Amburgo, Germania, al momento dello studio. Quando gli elettroni vengono strappati via dall'elio, vengono rapidamente accelerati in avanti, che mantiene il raggio strettamente impacchettato ed è un prerequisito per raggi più luminosi.