Osservando gli elettroni che sono stati accelerati a energie estremamente elevate, gli scienziati sono in grado di sbloccare indizi sulle particelle che compongono il nostro universo.

Accelerare gli elettroni a energie così elevate in un ambiente di laboratorio, però, è impegnativo:in genere, più energetici sono gli elettroni, più grande è l'acceleratore di particelle. Ad esempio, per scoprire il bosone di Higgs, la "particella di Dio, recentemente osservata, "responsabile della massa nell'universo:gli scienziati del laboratorio del CERN in Svizzera hanno utilizzato un acceleratore di particelle lungo quasi 27 chilometri.

Ma se ci fosse un modo per ridimensionare gli acceleratori di particelle, produrre elettroni ad alta energia in una frazione della distanza?

In un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , gli scienziati del Laboratorio per l'energia laser (LLE) dell'Università di Rochester hanno delineato un metodo per modellare la luce laser intensa in modo da accelerare gli elettroni per registrare le energie a distanze molto brevi:i ricercatori stimano che l'acceleratore sarebbe 10, 000 volte più piccolo di una configurazione proposta che registra un'energia simile, riducendo l'acceleratore da quasi la lunghezza del Rhode Island alla lunghezza di un tavolo da pranzo. Con una tale tecnologia, gli scienziati potrebbero eseguire esperimenti da tavolo per sondare il bosone di Higgs o esplorare l'esistenza di dimensioni extra e nuove particelle che potrebbero portare al sogno di Albert Einstein di una grande teoria unificata dell'universo.

"Gli elettroni a più alta energia sono necessari per studiare la fisica delle particelle fondamentali, "dice Giovanni Palastro, uno scienziato al LLE e l'autore principale del documento. "Gli acceleratori di elettroni forniscono uno specchio in un mondo subatomico abitato dai mattoni fondamentali dell'universo".

Sebbene questa ricerca sia attualmente teorica, il LLE sta lavorando per renderlo una realtà attraverso i piani per costruire il laser più potente al mondo al LLE. Il laser, essere chiamato EP-OPAL, consentirà ai ricercatori di creare gli impulsi luminosi scolpiti estremamente potenti e la tecnologia descritti in questo documento.

L'acceleratore di elettroni delineato dai ricercatori si basa su una tecnica rivoluzionaria per scolpire la forma degli impulsi laser in modo che i loro picchi possano viaggiare più velocemente della velocità della luce.

"Questa tecnologia potrebbe consentire di accelerare gli elettroni oltre ciò che è possibile con le tecnologie attuali, "dice Dustin Froula, uno scienziato senior presso la LLE e uno degli autori dell'articolo.

Per scolpire gli impulsi laser, i ricercatori hanno sviluppato una nuova configurazione ottica simile a un anfiteatro circolare con "passi" della lunghezza d'onda utilizzati per creare un ritardo temporale tra anelli concentrici di luce emessa da un laser ad alta potenza.

Una tipica lente focalizza ogni anello di luce da un laser a una singola distanza dalla lente, formando un unico punto di luce ad alta intensità. Invece di usare un tipico obiettivo, però, i ricercatori usano una lente dalla forma esotica, che consente loro di focalizzare ogni anello di luce a una distanza diversa dall'obiettivo, creando una linea ad alta intensità piuttosto che un singolo punto.

Quando questo impulso di luce scolpito entra in un plasma, una zuppa calda di elettroni e ioni che si muovono liberamente, crea una scia, simile alla scia dietro un motoscafo. Questa scia si propaga alla velocità della luce. Proprio come uno sciatore d'acqua che cavalca sulla scia di una barca, gli elettroni quindi accelerano mentre cavalcano la scia degli impulsi di luce laser scolpiti.

Questi "acceleratori laser wakefield" (LWFA) sono stati teorizzati per la prima volta quasi 40 anni fa, e sono stati avanzati dall'invenzione dell'amplificazione a impulso chirped (CPA), una tecnica sviluppata al LLE dai vincitori del Premio Nobel 2018 Donna Strickland e Gerard Mourou.

Versioni precedenti di LWFA, però, usato tradizionale, impulsi di luce non strutturati che si propagavano più lentamente della velocità della luce, il che significava che gli elettroni avrebbero superato la scia, limitandone l'accelerazione. I nuovi impulsi di luce scolpiti consentono velocità superiori alla luce in modo che gli elettroni possano cavalcare la scia indefinitamente ed essere continuamente accelerati.

"Questo lavoro è estremamente innovativo e rappresenterebbe un punto di svolta per gli acceleratori laser, "dice Michael Campbell, direttore della LLE. "Questa ricerca mostra il valore della fisica del plasma teorica e sperimentale che lavora a stretto contatto con eccezionali scienziati e ingegneri laser:rappresenta il meglio della cultura di LLE".