Una nuova struttura che potrebbe aprire la strada a una futura generazione di collisori di particelle e potenti sorgenti luminose è stata attivata presso il National Accelerator Laboratory SLAC del Dipartimento dell'Energia. Operando come struttura utente DOE, FACET-II è l'unica struttura al mondo in grado di fornire fasci di elettroni e positroni ad alta energia per la ricerca su una vasta gamma di tecnologie di accelerazione rivoluzionarie che potrebbero ridurre i futuri acceleratori di fattori da 100 a 1, 000 e affinare le loro capacità.

"Gli acceleratori di particelle sono i migliori microscopi, "dice Mark Hogan, Scienziato del progetto FACET-II. "Possiamo usarli per creare fasci ad alta energia che possiamo far scontrare per comprendere le particelle più piccole e le forze che tengono insieme l'universo, oppure possiamo muovere i raggi avanti e indietro per creare potenti raffiche di raggi X che ci permettono di scattare foto di ultrapiccoli, processi atomici ultraveloci per comprendere la biologia e la chimica. FACET-II ci aiuterà a sviluppare nuove tecnologie che ci consentiranno di costruire macchine più piccole, meno costoso e più potente."

Il surf è su

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, quando la struttura è stata dismessa per far posto all'aggiornamento del laser a elettroni liberi a raggi X del laboratorio, la sorgente luminosa coerente Linac (LCLS). FACET-II si basa sui successi di FACET, dove gli scienziati hanno dimostrato che una tecnica chiamata accelerazione del wakefield al plasma può aumentare l'energia degli elettroni e delle loro particelle di antimateria, positroni. In questo metodo, i ricercatori inviano un mucchio di particelle ad alta energia attraverso un gas ionizzato caldo, o plasma, creando una scia di plasma per un gruppo finale su cui "navigare", rampa fino a energie estremamente elevate in una breve distanza.

Negli acceleratori convenzionali, le particelle traggono energia da un campo a radiofrequenza all'interno di strutture metalliche. Poiché queste strutture possono supportare solo un guadagno di energia limitato per distanza prima di rompersi, gli acceleratori devono essere estremamente lunghi per raggiungere energie più elevate e sono costosi da costruire. L'approccio al plasma wakefield ha il potenziale per ridurre drasticamente le dimensioni e il costo degli acceleratori di particelle. I futuri acceleratori di plasma potrebbero, Per esempio, dispiega la stessa potenza di accelerazione dell'acceleratore lineare in rame (linac) lungo 2 miglia di SLAC in pochi metri.

La prossima generazione

Nel corso di due anni, le squadre di SLAC hanno installato una sorgente di elettroni ad alta luminosità all'avanguardia e nuovi sistemi di compressione a grappolo di elettroni per la produzione di fasci intensi. Hanno anche aggiornato i sistemi di controllo della struttura e installato strumenti per analizzare le proprietà del raggio.

FACET-II produrrà fasci di elettroni altamente energetici come il suo predecessore, ma con una qualità ancora migliore. La nuova struttura utilizza 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. Il suo design consente inoltre ai ricercatori di aggiungere la capacità di produrre e accelerare positroni, che consentirebbe ai ricercatori di acquisire maggiori informazioni sull'accelerazione del campo di scia del plasma e informare lo sviluppo di collisori di particelle elettrone-positrone basati sul plasma che migliorerebbero la nostra comprensione delle particelle e delle forze fondamentali della natura.

"Se useremo l'accelerazione del campo di scia del plasma per creare un collisore elettrone-positrone per la fisica delle alte energie, dobbiamo prima capire come accelerare i positroni nel plasma, " Hogan dice. "SLAC è l'unico laboratorio con l'infrastruttura necessaria per fornire fasci di positroni per questa ricerca. Speriamo di portare questa funzionalità online nei prossimi anni, che distinguerà FACET-II da qualsiasi altra struttura al mondo."

La struttura aiuterà anche gli scienziati a progettare una nuova generazione di sorgenti luminose, come laser a raggi X più luminosi che mai, e portare a miglioramenti ai laser a raggi X esistenti, come LCLS. Queste potenti macchine di scoperta forniscono agli scienziati una visione impareggiabile del mondo atomico in continua evoluzione e aprono nuove strade che vanno dalla fisica delle alte energie alla medicina e forniscono potenziali benefici per la ricerca sui materiali, scienze biologiche ed energetiche.

"Attivare FACET-II è come aprire una porta alla quale nessuno si è mai guardato dietro, " afferma il direttore del progetto Vitaly Yakimenko, Direttore della divisione FACET e vicedirettore per la scienza nella divisione Accelerator di SLAC. "Produrrà fasci di elettroni cento volte più intensi di qualsiasi cosa sia venuta prima e creerà opportunità scientifiche completamente nuove".

Spingere l'innovazione

In qualità di struttura utente DOE, FACET-II opererà circa sei mesi all'anno, consegnando fascio a circa 25 esperimenti e ospitando circa 250 ricercatori provenienti da università, industria e altri laboratori nazionali.

Nei prossimi mesi, il comitato consultivo del programma FACET-II verificherà la prontezza degli esperimenti iniziali che sono stati scelti per il tempo del fascio e esaminerà una seconda serie di proposte da mettere in coda per la prossima scienza. Fino a gennaio, i team lavoreranno per portare online tutti i pezzi di FACET-II e portare il raggio alla giusta energia e qualità. Man mano che i team installano nuovo hardware sperimentale, gli utenti lavoreranno in parallelo per assicurarsi che tutto funzioni correttamente e raccolga i segnali giusti.

Nei primi esperimenti, dovrebbe iniziare il prossimo febbraio, i ricercatori studieranno modi per preservare la qualità del fascio, migliorare le tecniche di accelerazione del wakefield al plasma e generare e accelerare i positroni. Svilupperanno anche Trojan Horse-II, un aggiornamento di una tecnica esistente in grado di produrre un intenso fascio di elettroni "infiltrando" gli elettroni nel plasma.

FACET-II potrebbe anche potenzialmente fornire informazioni su fisica nuova e inaspettata come i lampi di raggi gamma, la forma più energetica di radiazione elettromagnetica, ed elettrodinamica quantistica a campo forte (QED), entrambi giocano un ruolo importante in fenomeni astrofisici estremi come i raggi cosmici e le stelle che esplodono.

Altri obiettivi scientifici includono acceleratori wakefield compatti che utilizzano determinati isolanti elettrici invece del plasma, nonché tecniche di apprendimento automatico che misureranno e simuleranno accuratamente la fisica di questi potenti fasci di elettroni per aiutare i ricercatori a comprendere e controllare i fasci ultracorti, aumentare l'efficienza e la produttività scientifica dei programmi utente.

"Il nostro laboratorio è stato costruito sulla tecnologia degli acceleratori e continua a promuovere innovazioni nel campo, "dice Bruce Dunham, capo della direzione degli acceleratori dello SLAC. "FACET-II è una struttura rivoluzionaria che ci aiuterà a mantenerci all'avanguardia nella scienza degli acceleratori".