Il team LUX di DESY celebra non solo una, ma due pietre miliari nello sviluppo di innovativi acceleratori di plasma. Gli scienziati dell'Università di Amburgo e DESY hanno utilizzato il loro acceleratore per testare una tecnica che consente di mantenere particolarmente stretta la distribuzione dell'energia dei fasci di elettroni prodotti. Hanno anche usato l'intelligenza artificiale per consentire all'acceleratore di ottimizzare il proprio funzionamento. Gli scienziati stanno riportando i loro esperimenti in due articoli pubblicati poco dopo l'altro sulla rivista Lettere di revisione fisica . "È fantastico vedere la velocità con cui la nuova tecnologia di accelerazione al plasma sta raggiungendo un livello di maturità tale da poter essere utilizzata in una vasta gamma di applicazioni, " si congratula con Wim Leemans, Direttore della Divisione Acceleratori di DESY.

L'accelerazione al plasma è una tecnologia innovativa che sta dando vita a una nuova generazione di acceleratori di particelle non solo straordinariamente compatti ma anche estremamente versatili. L'obiettivo è rendere disponibili gli elettroni accelerati per applicazioni in diversi campi dell'industria, scienza e medicina.

L'accelerazione avviene in un piccolo canale, lunga solo pochi millimetri, riempito con un gas ionizzato chiamato plasma. Un intenso impulso laser genera un'onda all'interno del canale, che può catturare e accelerare gli elettroni dal plasma. "Come un surfista, gli elettroni sono trasportati dall'onda plasma, che li accelera ad alte energie, " spiega Manuel Kirchen, autore principale di uno degli articoli. "Utilizzando questa tecnica, gli acceleratori al plasma sono in grado di raggiungere accelerazioni fino a mille volte superiori a quelle delle macchine più potenti oggi in uso, " aggiunge Sören Jalas, autore del secondo lavoro.

Però, questa compattezza è sia una maledizione che una benedizione:poiché il processo di accelerazione è concentrato in uno spazio minuscolo che è fino a 1000 volte più piccolo di quello convenzionale, macchine di grandi dimensioni, l'accelerazione avviene in condizioni veramente estreme. Perciò, devono ancora essere superate una serie di sfide prima che la nuova tecnologia sia pronta per la produzione in serie.

Il gruppo di ricerca guidato da Andreas Maier, un fisico dell'acceleratore al DESY, ha ora raggiunto due traguardi critici presso la struttura di prova LUX, gestita congiuntamente da DESY e dall'Università di Amburgo:hanno trovato un modo per ridurre significativamente la distribuzione di energia dei fasci di elettroni accelerati, una delle proprietà più essenziali per molte potenziali applicazioni. Per fare questo, hanno programmato un autopilota ad autoapprendimento per l'acceleratore, che ottimizza automaticamente LUX per le massime prestazioni.

Il gruppo ha condotto i suoi esperimenti utilizzando un nuovo tipo di plasmacellula, appositamente sviluppato per lo scopo, il cui canale plasmatico è diviso in due regioni. Il plasma è generato da una miscela di idrogeno e azoto nella parte anteriore della cella, che è lungo circa 10 millimetri, mentre la regione dietro è piena di idrogeno puro. Di conseguenza, i ricercatori sono stati in grado di ottenere gli elettroni per il loro gruppo di particelle dalla parte anteriore della plasmacellula, che sono stati poi accelerati su tutta la sezione posteriore della cella. "Essendo più strettamente legato, gli elettroni nell'azoto vengono rilasciati un po' più tardi, e questo li rende ideali per essere accelerati dall'onda di plasma, " spiega Manuel Kirchen. Il fascio di elettroni assorbe anche energia dall'onda di plasma, cambiando la forma dell'onda. "Siamo stati in grado di sfruttare questo effetto e regolare la forma dell'onda in modo che gli elettroni raggiungano la stessa energia indipendentemente dalla loro posizione lungo l'onda, "aggiunge Kirchen.

Sulla base di questa ricetta per ottenere un'elevata qualità del fascio di elettroni, il team ha poi ottenuto un secondo successo di ricerca:Sören Jalas ei suoi colleghi sono stati in grado di utilizzare l'intelligenza artificiale (IA) per modificare un algoritmo che controlla e ottimizza il complesso sistema dell'acceleratore di plasma. Fare così, gli scienziati hanno fornito all'algoritmo un modello funzionale dell'acceleratore al plasma e una serie di parametri regolabili, che l'algoritmo ha poi ottimizzato da solo. Essenzialmente, il sistema ha modificato cinque parametri principali, compresa la concentrazione e la densità dei gas e l'energia e il fuoco del laser, e ha utilizzato le misurazioni risultanti per cercare un punto operativo in cui il fascio di elettroni ha la qualità ottimale. "Nel corso del suo atto di equilibrio nello spazio a 5 dimensioni, l'algoritmo apprendeva costantemente e raffinava molto rapidamente il modello dell'acceleratore sempre di più, " dice Jalas. "L'IA impiega circa un'ora per trovare un punto operativo ottimale stabile per l'acceleratore; a confronto, stimiamo che gli esseri umani avrebbero bisogno di più di una settimana."

Un ulteriore vantaggio è che tutti i parametri e le variabili misurate continuano ad addestrare il modello AI dell'acceleratore, velocizzare il processo di ottimizzazione, più sistematico e mirato. "Gli ultimi progressi di LUX significano che siamo sulla buona strada per provare le applicazioni iniziali a scopo di test, " spiega Andreas Maier, che è responsabile dello sviluppo dei laser per gli acceleratori al plasma presso DESY. "In definitiva, vogliamo anche utilizzare fasci di elettroni accelerati al plasma per far funzionare un laser a elettroni liberi".