Gli scienziati che sfruttano il controllo preciso dei laser ultraveloci hanno accelerato gli elettroni su un tratto di 20 centimetri fino a velocità solitamente riservate agli acceleratori di particelle delle dimensioni di 10 campi da calcio.

Un team dell'Università del Maryland (UMD) guidato dal professore di fisica ed ingegneria elettrica e informatica Howard Milchberg, in collaborazione con il team di Jorge J. Rocca della Colorado State University (CSU), ha raggiunto questa impresa utilizzando due impulsi laser inviati attraverso un getto di idrogeno gassoso. Il primo impulso fece a pezzi l'idrogeno, praticando un foro attraverso di esso e creando un canale di plasma. Quel canale ha guidato un secondo impulso di potenza superiore che ha raccolto gli elettroni dal plasma e li ha trascinati lungo la sua scia, accelerandoli quasi alla velocità della luce nel processo.

Con questa tecnica, il team ha accelerato gli elettroni fino a quasi il 40% dell'energia raggiunta in strutture enormi come la Linac Coherent Light Source (LCLS), lunga un chilometro, l'acceleratore dello SLAC National Accelerator Laboratory. Il documento è stato accettato dalla rivista Physical Review X il 1 agosto 2022.

"Questo è il primo acceleratore di elettroni multi-GeV alimentato interamente da laser", afferma Milchberg, che è anche affiliato all'Institute of Research Electronics and Applied Physics dell'UMD. "E con i laser che stanno diventando più economici ed efficienti, ci aspettiamo che la nostra tecnica diventi la strada da percorrere per i ricercatori in questo campo."

A motivare il nuovo lavoro ci sono acceleratori come LCLS, una pista lunga un chilometro che accelera gli elettroni a 13,6 miliardi di elettronvolt (GeV), l'energia di un elettrone che si muove al 99,99999993% della velocità della luce. Il predecessore di LCLS è alla base di tre scoperte vincitrici del premio Nobel sulle particelle fondamentali. Ora, un terzo dell'acceleratore originale è stato convertito in LCLS, utilizzando i suoi elettroni super veloci per generare i raggi laser a raggi X più potenti al mondo. Gli scienziati usano questi raggi X per scrutare all'interno di atomi e molecole in azione, creando video di reazioni chimiche. Questi video sono strumenti vitali per la scoperta di farmaci, l'ottimizzazione dell'accumulo di energia, l'innovazione nell'elettronica e molto altro ancora.

Accelerare gli elettroni a energie di decine di GeV non è un'impresa facile. L'acceleratore lineare di SLAC fornisce agli elettroni la spinta di cui hanno bisogno utilizzando potenti campi elettrici che si propagano in una serie molto lunga di tubi metallici segmentati. Se i campi elettrici fossero più potenti, provocherebbero un temporale all'interno dei tubi e li danneggerebbero gravemente. Non essendo in grado di spingere più forte gli elettroni, i ricercatori hanno deciso di spingerli semplicemente più a lungo, fornendo più pista per l'accelerazione delle particelle. Da qui la fetta lunga un chilometro attraverso la California settentrionale. Per portare questa tecnologia su una scala più gestibile, i team UMD e CSU hanno lavorato per aumentare gli elettroni quasi alla velocità della luce utilizzando, in modo abbastanza appropriato, la luce stessa.

"L'obiettivo in definitiva è ridurre gli acceleratori di elettroni su scala GeV in una stanza di dimensioni modeste", afferma Jaron Shrock, uno studente laureato in fisica all'UMD e co-primo autore del lavoro. "Stai prendendo dispositivi su scala chilometrica e hai un altro fattore di 1.000 campo di accelerazione più forte. Quindi, stai prendendo scala chilometro per metro, questo è l'obiettivo di questa tecnologia."

La creazione di quei campi di accelerazione più forti in un laboratorio impiega un processo chiamato accelerazione del campo di scia laser, in cui un impulso di luce laser intensa e strettamente focalizzata viene inviato attraverso un plasma, creando un disturbo e trascinando gli elettroni lungo la sua scia.

"Puoi immaginare l'impulso laser come una barca", afferma Bo Miao, un borsista post-dottorato in fisica presso l'Università del Maryland e co-primo autore del lavoro. "Mentre l'impulso laser viaggia nel plasma, poiché è così intenso, spinge gli elettroni fuori dal suo percorso, come l'acqua spinta da parte dalla prua di una barca. Quegli elettroni girano intorno alla barca e si raccolgono proprio dietro di essa, viaggiando dentro la scia del polso."

L'accelerazione del wakefield laser è stata proposta per la prima volta nel 1979 e dimostrata nel 1995. Ma la distanza su cui poteva accelerare gli elettroni è rimasta ostinatamente limitata a un paio di centimetri. Ciò che ha consentito al team UMD e CSU di sfruttare l'accelerazione del wakefield in modo più efficace che mai è stata una tecnica sperimentata dal team UMD per domare il raggio ad alta energia e impedirgli di diffondere la sua energia troppo sottile. La loro tecnica fa un buco nel plasma, creando una guida d'onda che mantiene focalizzata l'energia del raggio.

"Una guida d'onda consente a un impulso di propagarsi su una distanza molto più lunga", spiega Shrock. "Dobbiamo usare il plasma perché questi impulsi hanno un'energia così alta, sono così luminosi che distruggerebbero un cavo in fibra ottica tradizionale. Il plasma non può essere distrutto perché in un certo senso lo è già."

La loro tecnica crea qualcosa di simile ai cavi in ​​fibra ottica, le cose che trasportano servizi Internet in fibra ottica e altri segnali di telecomunicazione, dal nulla. O, più precisamente, da getti di idrogeno gassoso accuratamente scolpiti.

Una guida d'onda in fibra ottica convenzionale è costituita da due componenti:un "nucleo" centrale che guida la luce e un "rivestimento" circostante che impedisce alla luce di fuoriuscire. Per realizzare la loro guida d'onda al plasma, il team utilizza un raggio laser aggiuntivo e un getto di idrogeno gassoso. Mentre questo laser "guida" aggiuntivo viaggia attraverso il getto, strappa gli elettroni dagli atomi di idrogeno e crea un canale di plasma. Il plasma è caldo e inizia rapidamente ad espandersi, creando un "nucleo" di plasma a densità inferiore e un gas a densità maggiore ai suoi margini, come un guscio cilindrico. Quindi, il raggio laser principale (quello che raccoglierà gli elettroni nella sua scia) viene inviato attraverso questo canale. Il bordo anteriore di questo impulso trasforma anche il guscio a densità più alta in plasma, creando il "rivestimento".

"È un po' come se il primo impulso ripulisse un'area", dice Shrock, "e poi l'impulso ad alta intensità scende come un treno con qualcuno in piedi davanti che butta giù i binari mentre sta andando".

Utilizzando la tecnica della guida d'onda al plasma generata otticamente di UMD, combinata con il laser ad alta potenza e l'esperienza del team CSU, i ricercatori sono stati in grado di accelerare alcuni dei loro elettroni fino all'incredibile cifra di 5 GeV. Questo è ancora un fattore 3 in meno rispetto all'enorme acceleratore di SLAC e non proprio il massimo raggiunto con l'accelerazione laser wakefield (questo onore appartiene a un team dei Lawrence Berkeley National Labs). Tuttavia, l'energia laser utilizzata per GeV di accelerazione nel nuovo lavoro è un record e il team afferma che la loro tecnica è più versatile:può potenzialmente produrre esplosioni di elettroni migliaia di volte al secondo (anziché all'incirca una volta al secondo), rendendo è una tecnica promettente per molte applicazioni, dalla fisica delle alte energie alla generazione di raggi X che possono registrare video di molecole e atomi in azione come in LCLS. Ora che il team ha dimostrato il successo del metodo, ha in programma di perfezionare l'impostazione per migliorare le prestazioni e aumentare l'accelerazione a energie più elevate.

"In questo momento, gli elettroni vengono generati lungo l'intera lunghezza della guida d'onda, lunga 20 centimetri, il che rende la loro distribuzione di energia non ideale", afferma Miao. "Possiamo migliorare il design in modo da poter controllare dove vengono iniettati con precisione e quindi possiamo controllare meglio la qualità del fascio di elettroni accelerati."

Sebbene il sogno di LCLS su un tavolo non sia ancora una realtà, gli autori affermano che questo lavoro mostra un percorso da seguire. "C'è un sacco di ingegneria e scienza da fare da ora ad allora", dice Shrock. "Gli acceleratori tradizionali producono fasci altamente ripetibili con tutti gli elettroni che hanno energie simili e viaggiano nella stessa direzione. Stiamo ancora imparando come migliorare questi attributi del raggio negli acceleratori di wakefield laser multi-GeV. È anche probabile che raggiungano energie sulla scala di decine di GeV, dovremo mettere in scena più acceleratori di wakefield, facendo passare gli elettroni accelerati da uno stadio all'altro preservando la qualità del raggio. Quindi c'è molta strada da fare tra ora e avere una struttura di tipo LCLS che si basa sull'accelerazione del wakefield laser". + Esplora ulteriormente

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