La cella a gas utilizzata come sorgente di plasma. Il laser arriva da destra di queste immagini attraverso il cono di metallo ed entra nel piccolo cubo, che è pieno di gas. Il laser ionizza il gas e lo trasforma in plasma e crea l'acceleratore. Credito:Rob Shalloo
I ricercatori hanno usato l'intelligenza artificiale per controllare i raggi per la prossima generazione di piccoli, acceleratori più economici per la ricerca, applicazioni mediche e industriali.
Esperimenti condotti dai ricercatori dell'Imperial College di Londra, utilizzando la Central Laser Facility (CLF) del Consiglio delle strutture scientifiche e tecnologiche, ha mostrato che un algoritmo è in grado di mettere a punto i complessi parametri coinvolti nel controllo della prossima generazione di acceleratori di particelle a base di plasma.
L'algoritmo è stato in grado di ottimizzare l'acceleratore molto più rapidamente di un operatore umano, e potrebbe persino superare gli esperimenti su sistemi laser simili.
Questi acceleratori concentrano l'energia dei laser più potenti del mondo in un punto delle dimensioni di una cellula della pelle, producendo elettroni e raggi X con apparecchiature una frazione delle dimensioni degli acceleratori convenzionali.
Gli elettroni e i raggi X possono essere utilizzati per la ricerca scientifica, come sondare la struttura atomica dei materiali; nelle applicazioni industriali, come per la produzione di elettronica di consumo e gomma vulcanizzata per pneumatici per auto; e potrebbe essere utilizzato anche in applicazioni mediche, come i trattamenti contro il cancro e l'imaging medico.
Diverse strutture che utilizzano questi nuovi acceleratori sono in varie fasi di progettazione e costruzione in tutto il mondo, compreso l'Extreme Photonics Applications Centre (EPAC) del CLF nel Regno Unito, e la nuova scoperta potrebbe aiutarli a lavorare al meglio in futuro. I risultati sono pubblicati oggi in Comunicazioni sulla natura .
Gli elettroni vengono espulsi dall'acceleratore di plasma quasi alla velocità della luce, prima di essere attraversato da un campo magnetico che separa le particelle dalla loro energia. Vengono poi sparati contro uno schermo fluorescente, mostrato qui. Credito:Rob Shalloo
Primo autore Dr. Rob Shalloo, che ha completato i lavori all'Imperial ed è ora al centro acceleratore DESY, ha dichiarato:"Le tecniche che abbiamo sviluppato saranno fondamentali per ottenere il massimo da una nuova generazione di impianti avanzati per acceleratori di plasma in costruzione nel Regno Unito e in tutto il mondo.
"La tecnologia dell'acceleratore al plasma fornisce esplosioni di elettroni e raggi X straordinariamente brevi, che stanno già trovando usi in molte aree di studio scientifico. Con i nostri sviluppi, speriamo di ampliare l'accessibilità a questi acceleratori compatti, consentendo agli scienziati di altre discipline e a coloro che desiderano utilizzare queste macchine per applicazioni, beneficiare della tecnologia senza essere un esperto di acceleratori di plasma."
Il team ha lavorato con acceleratori laser wakefield. Questi combinano i laser più potenti del mondo con una sorgente di plasma (gas ionizzato) per creare fasci concentrati di elettroni e raggi X. Gli acceleratori tradizionali hanno bisogno di centinaia di metri in chilometri per accelerare gli elettroni, ma gli acceleratori di wakefield possono gestire la stessa accelerazione nello spazio di millimetri, riducendo drasticamente le dimensioni e il costo delle apparecchiature.
Però, perché gli acceleratori di wakefield operano nelle condizioni estreme create quando i laser sono combinati con il plasma, possono essere difficili da controllare e ottimizzare per ottenere le migliori prestazioni. Nell'accelerazione di wakefield, un impulso laser ultracorto viene guidato nel plasma, creando un'onda che viene utilizzata per accelerare gli elettroni. Sia il laser che il plasma hanno diversi parametri che possono essere modificati per controllare l'interazione, come la forma e l'intensità dell'impulso laser, o la densità e la lunghezza del plasma.
Mentre un operatore umano può modificare questi parametri, è difficile sapere come ottimizzare così tanti parametri contemporaneamente. Anziché, il team si è rivolto all'intelligenza artificiale, creazione di un algoritmo di apprendimento automatico per ottimizzare le prestazioni dell'acceleratore.
Questa foto mostra l'esterno della camera a vuoto che è completamente circondato da mattoni di piombo dipinti. Il piombo serve per la protezione dalle radiazioni e il telaio metallico consente di arrotolare e rimuovere le pareti di piombo per consentire l'accesso alla camera. Sono verniciati perché il piombo è altamente tossico e quindi la verniciatura impedisce loro di generare polvere di piombo dannosa. Credito:Rob Shalloo
L'algoritmo ha impostato fino a sei parametri che controllano il laser e il plasma, ha sparato il laser, analizzato i dati, e reimpostare i parametri, eseguire questo ciclo più volte di seguito fino al raggiungimento della configurazione ottimale dei parametri.
Il ricercatore capo Dr. Matthew Streeter, che ha completato il lavoro all'Imperial ed è ora alla Queen's University di Belfast, ha dichiarato:"Il nostro lavoro ha portato a un acceleratore di plasma autonomo, il primo del suo genere. Oltre a consentirci di ottimizzare in modo efficiente l'acceleratore, semplifica anche il loro funzionamento e ci consente di dedicare più sforzi all'esplorazione della fisica fondamentale dietro queste macchine estreme".
Il team ha dimostrato la propria tecnica utilizzando il sistema laser Gemini al CLF, e hanno già iniziato a utilizzarlo in ulteriori esperimenti per sondare la struttura atomica dei materiali in condizioni estreme e nello studio dell'antimateria e della fisica quantistica.
I dati raccolti durante il processo di ottimizzazione hanno anche fornito nuove informazioni sulla dinamica dell'interazione laser-plasma all'interno dell'acceleratore, potenzialmente informare i progetti futuri per migliorare ulteriormente le prestazioni dell'acceleratore.
