(Sinistra):due specchi deformabili. Oltre al controllo del tempo di arrivo e della lunghezza dell'impulso di entrambe le linee del fascio, questi specchi consentono di modellare in modo indipendente la modalità del punto focale, fondamentale per un'accelerazione graduale ottimizzata. (A destra) Nella seconda linea del raggio appena messa in servizio, il raggio laser viaggia attraverso i grandi tubi bianchi nel sistema di vuoto dell'acceleratore laser-plasma. Marlene Turner (in primo piano) e lo studioso post-dottorato Alex Picksley controllano l'allineamento. Credito:Marilyn Sargent/Berkeley Lab
I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno completato un'importante espansione di uno dei sistemi laser più potenti del mondo, creando nuove opportunità nella ricerca sugli acceleratori per il futuro della fisica delle alte energie e di altri campi. L'espansione ha creato una seconda linea di raggio per il laser petawatt presso il Berkeley Lab Laser Accelerator Center (BELLA), consentendo lo sviluppo di acceleratori di particelle di nuova generazione per applicazioni nel campo della scienza, della medicina, della sicurezza e dell'industria. La seconda linea di luce è stata pubblicata quest'estate ed è il culmine di diversi anni di pianificazione, progettazione e ingegneria da parte dei team di BELLA e di ingegneria.
"Siamo felici di vedere la costruzione completata e non vediamo l'ora di iniziare l'ampia varietà di esperimenti entusiasmanti resi possibili dalla seconda linea di luce", ha affermato Eric Esarey, Direttore del BELLA Center.
Utilizzare la luce per spostare le particelle
Gli acceleratori tradizionali utilizzano campi elettromagnetici a radiofrequenza per accelerare gradualmente le particelle su distanze di decine di chilometri e di conseguenza tendono ad essere enormi e molto costosi. Ad esempio, il Large Hadron Collider del CERN, il famoso acceleratore di particelle internazionale, accelera le particelle lungo un percorso circolare lungo oltre 16 miglia, un risultato monumentale che costa miliardi di dollari per la costruzione e il funzionamento.
Al Centro BELLA, gli scienziati accelerano le particelle cariche con campi elettrici generati da un laser ad alta potenza che interagisce con un plasma, creando quello che è noto come un acceleratore laser-plasma (LPA). Il team utilizza un laser da un petawatt che produce un raggio di impulsi molto brevi o "proiettili" di luce, uno al secondo, ciascuno dei quali è circa cento volte più potente di un tipico fulmine. Quando il raggio laser passa attraverso il plasma (una zuppa di particelle cariche simile a un gas), crea un'onda in movimento e una particella carica posta in quell'onda viene quindi spinta in avanti, come un surfista su un'onda oceanica. Questo approccio "wakefield" può produrre velocità di accelerazione fino a mille volte maggiori rispetto agli acceleratori convenzionali, rendendo gli LPA un candidato promettente per la prossima generazione di acceleratori più piccoli e meno costosi.
Un potente strumento per lo sviluppo di tecnologie di accelerazione
La seconda linea di raggio è stata progettata per essere altamente sintonizzabile, in grado di produrre un'ampia gamma di dimensioni di spot laser, con durate ed energie degli impulsi che possono essere variate indipendentemente. Le due linee di luce sono pensate per essere utilizzate in tandem, rendendo il sistema uno strumento potente e versatile per lo sviluppo della scienza e della tecnologia degli acceleratori. Per creare la nuova linea di raggio, il team ha separato una parte del raggio laser principale e l'ha fatta passare attraverso una serie di ottiche per generare un secondo raggio di impulsi di luce brevi e potenti che possono creare un secondo campo di scia.
In particolare, il sistema è stato progettato per consentire la visione del team di mettere in scena più moduli LPA al fine di raggiungere le elevate energie del fascio di elettroni necessarie per i collisori di particelle, utilizzando il campo di scia della seconda linea di fascio per accelerare ulteriormente le particelle che si staccano dalla prima. Attualmente sono in corso le prime sperimentazioni per raggiungere questo obiettivo. Nella loro visione a lungo termine, il team propone di impilare moduli aggiuntivi alimentati a laser per creare acceleratori di energie estremamente elevate, consentendo la prossima generazione di scoperte fisiche a una frazione del costo e delle dimensioni.
Ad esempio, i metodi per migliorare l'efficienza energetica degli LPA possono anche essere esplorati con le doppie linee di luce. Il secondo impulso laser della linea di raggio può essere configurato per assorbire l'energia residua nel primo plasma della linea di raggio che non viene utilizzato dal processo di accelerazione e quindi inviato a un sistema di recupero dell'energia. Marlene Turner, una scienziata del BELLA Center, ha ricevuto un prestigioso premio all'inizio della carriera da DOE per lavorare su questo concetto. "Senza la seconda linea di raggio, la mia ricerca, che mira a ridurre il consumo energetico e l'impatto ambientale dei futuri collisori al plasma, non sarebbe possibile", ha affermato Turner.
Le doppie linee di luce possono essere utilizzate anche in altre configurazioni. Ad esempio, la seconda linea di raggio può essere utilizzata per accelerare le particelle per disperdere quelle della prima linea di raggio, consentendo ai fisici di sondare la fisica esotica che ne deriva.
"La precisione offerta da queste due linee di raggio laser, combinando tempi di femtosecondi e precisione spaziale su scala micron, non ha precedenti a livelli di potenza di picco di classe petawatt e consentirà esperimenti sulla stadiazione LPA e altri progressi nell'accelerazione del plasma come la personalizzazione del laser di strutture di accelerazione del plasma, metodi di iniezione di particelle basati su laser, produzione di fotoni ad alta energia mediante scattering laser e studi fondamentali sull'elettrodinamica quantistica ad alto campo", ha affermato Tony Gonsalves, scienziato capo del team petawatt di BELLA. "È un grosso problema."
Il potere della scienza di squadra
Berkeley Lab è conosciuto come una centrale elettrica della scienza di squadra e questo nuovo progetto BELLA ha esemplificato questa etica. In qualsiasi momento, il team principale che lavora a questo progetto comprende da dieci a quindici ingegneri meccanici, ingegneri elettrici e ricercatori, oltre a un cast rotante di altri attori chiave, inclusi specialisti della sicurezza radiologica e ingegneri sismici. Ciò ha assicurato che l'aggiornamento a due linee di raggi laser non solo crei lo stato dell'arte della scienza, ma sia eseguito in modo sicuro, ben progettato e duraturo che consentirà una produttività continua per molti anni a venire.
Il team ha affrontato la giusta dose di sfide a causa della pandemia di COVID-19, che ha temporaneamente chiuso la struttura. Dopo la riapertura, il team ha dovuto lavorare a turni, utilizzando un sistema di biglietteria per mantenere la densità sicura dei lavoratori. Il solo coinvolgimento di un team di ingegneri francesi per l'installazione di una camera del compressore ha richiesto gran parte dell'anno a causa delle restrizioni legate alla pandemia.
"È stata una lunga strada per ottenere questo risultato, e una strada molto più lunga a causa del COVID", ha affermato Gonsalves. "Se dovessi contare quante persone hanno toccato questo progetto, sarebbe un numero molto grande. Siamo fortunati ad avere questa impressionante infrastruttura di persone al Lab per rendere possibile un progetto come questo."
Fisica esotica e applicazioni quotidiane
I collisori di particelle sono strumenti di scoperta che gli scienziati utilizzano per sondare la struttura della materia rompendo le particelle insieme con energia sufficiente per romperle, aiutandoci a capire di cosa è fatto l'universo e le forze che lo tengono insieme. L'obiettivo finale della nuova linea di raggio è sviluppare una nuova tecnologia di accelerazione che consentirà ai collisori di raggiungere energie più elevate. Queste domande vanno ben oltre l'esame della materia visibile, che in realtà costituisce una piccola frazione dell'universo. C'è cinque volte più materia oscura invisibile nell'universo rispetto alla materia visibile e acceleratori di energia più elevati potrebbero essere in grado di produrre particelle di materia oscura pesante in modo che le loro proprietà possano essere studiate.
Anche il settore della sicurezza nazionale sta prestando attenzione a questi sviluppi nella nuova tecnologia degli acceleratori. Le attuali tecnologie per lo screening dei materiali nucleari nei porti, per i trattati nucleari e altre applicazioni hanno una precisione limitata. La tecnologia dell'acceleratore basato su laser, tuttavia, potrebbe essere utilizzata per produrre i raggi gamma sintonizzabili o i muoni ad alta energia necessari per rilevare con precisione i composti nucleari o altri materiali e la tecnologia potrebbe adattarsi a una piccola unità portatile.
Anche gli studi di base in scienze dei materiali trarrebbero grande beneficio dallo sviluppo di sorgenti compatte di luce a lunghezza d'onda corta, come i raggi X, guidate da LPA. Poiché l'LPA produce intrinsecamente brevi fasci di elettroni, dell'ordine dei femtosecondi, sono ideali per sondare materiali su scale temporali ultraveloci.
Un'altra interessante applicazione dell'accelerazione laser è nella radioterapia del cancro, dove la comunità medica sta scoprendo che dosi più brevi di radiazioni più forti fanno meno danni ai tessuti sani, noto come "effetto flash". Questi sistemi laser potrebbero rivoluzionare la radioterapia.
"Sono molto entusiasta di vedere l'ampia varietà di scienze e applicazioni abilitate dalla seconda linea di luce BELLA. Queste sono trasversali e possono avere un impatto su una serie di programmi presso l'Office of Science, il Dipartimento della Difesa, gli Istituti Nazionali di Salute, così come nell'industria", ha affermato Cameron Geddes, Direttore della divisione Tecnologia degli acceleratori e Fisica applicata di Berkeley Lab. + Esplora ulteriormente
