Venticinque piedi sotto terra, lo scienziato Spencer Gessner dello SLAC National Accelerator Laboratory apre un grande cestino da picnic in metallo. Questo non è il tipico cestino da picnic pieno di formaggio, pane e frutta:contiene viti, bulloni, tubi d'acciaio e molte altre parti e pezzi che trasportano le particelle quasi alla velocità della luce. I componenti sono disposti proprio per svolgere un lavoro importante:contribuire ad alimentare gruppi di elettroni in rapido movimento nella materia di cui è fatto il sole:il plasma.
"Stiamo cercando di costruire qui la prossima generazione di piccoli e potenti acceleratori di particelle", afferma Gessner. "L'obiettivo è spingere le particelle a energie più elevate su distanze più brevi. Ciò potrebbe aiutare a progettare acceleratori compatti che possano essere inseriti all'interno di un laboratorio universitario o di un ospedale, o essere un'opzione per un collisore di particelle ad alta energia in futuro."
Gessner e molti altri ricercatori dello SLAC e di tutto il mondo vogliono realizzare futuri acceleratori da 100 a 1.000 volte più piccoli degli acceleratori tradizionali. L’obiettivo non è necessariamente quello di sostituire gli acceleratori più potenti del mondo, ma piuttosto fornire una nuova opzione per le persone e i luoghi che cercano l’accesso alla scienza degli acceleratori e potenzialmente migliorare gli acceleratori all’avanguardia esistenti. Ad esempio, i laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) più piccoli e meno potenti potrebbero rappresentare uno strumento scientifico avanzato per esplorare la materia su scala atomica nelle mani di molti più scienziati.
Gessner lavora presso la Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests II (FACET-II) dello SLAC, che si concentra principalmente su una tecnica chiamata accelerazione del campo di scia del plasma. Nell'accelerazione del wakefield del plasma, i ricercatori inviano fasci di particelle attraverso il plasma, un gas ionizzato estremamente caldo che spesso è costituito da ioni di elio o idrogeno, come il sole.
"Quando il raggio attraversa il plasma, viene creata una scia, simile alla scia che si crea dietro una barca che sta accelerando sull'acqua su un lago", ha detto Gessner. "Possiamo quindi iniettare elettroni nella scia del plasma e queste particelle cavalcano l'onda, raggiungendo energie più elevate su distanze più brevi."
FACET-II utilizza parte dell'acceleratore lineare SLAC lungo due miglia per generare questi fasci di elettroni. Al loro apice, i raggi sono così intensi che nessun materiale può resistere. I campi estremi del raggio strapperebbero gli elettroni dagli atomi e vaporizzerebbero istantaneamente qualsiasi materiale sul percorso del raggio. La soluzione è iniziare innanzitutto con un plasma, che elimina le limitazioni dei materiali convenzionali e consente un'accelerazione molto elevata.
Ma spingere le particelle a energie estremamente elevate su distanze più brevi comporta molti problemi impegnativi. I ricercatori continuano a fare passi avanti verso la risoluzione di questi problemi e trasformando quella che potrebbe sembrare fantascienza in realtà.
Il lavoro sperimentale sull'accelerazione del wakefield al plasma è iniziato allo SLAC circa vent'anni fa, sebbene il concetto generale fosse stato discusso negli articoli sin dalla fine degli anni '70 e dall'inizio degli anni '80. Esistono tre tipi principali di ricerca sul campo della scia del plasma in corso in tutto il mondo, raggruppati in base alla fonte di energia che crea la scia:un raggio di elettroni, un raggio laser ad alta potenza o un raggio di protoni.
Una delle prime domande a cui i ricercatori hanno dovuto rispondere era se fosse possibile trasformare l’idea teorica dei campi di scia del plasma in realtà in laboratorio, ha affermato il direttore di FACET-II Mark Hogan. I ricercatori sono stati in grado di portare a termine questo compito presso lo SLAC alla fine degli anni ’90 e sono stati i primi a infrangere la barriera del GeV, che è il livello di energia tipicamente associato solo a installazioni su larga scala. Hanno preso una manciata di elettroni e li hanno accelerati con energie molto elevate utilizzando campi di scia di plasma.
Hogan ha detto che i ricercatori hanno poi affrontato la prossima grande domanda:come passare da una manciata di particelle con un ampio intervallo di energia a un fascio di particelle con una diffusione di energia relativamente bassa. Ciò significa garantire che gli elettroni non siano sparsi ovunque in un acceleratore, ma viaggino invece insieme in uno stretto pacchetto. I ricercatori hanno portato a termine questo compito negli anni 2010 presso FACET, la struttura che ha preceduto FACET-II, ha affermato Hogan.
"Quindi ora la domanda per FACET-II è:puoi fare tutte queste cose contemporaneamente - sfruttare i grandi campi per creare fasci ad alta energia con una bassa diffusione di energia - e anche creare un raggio di alta qualità su distanze più lunghe", ha detto Hogan . "Questa è una questione chiave su cui stiamo indagando proprio adesso al FACET-II:possiamo preservare la qualità dei fasci di elettroni mentre aumentiamo la loro energia molto rapidamente su distanze significative?"
Guardando ancora più avanti, gli scienziati dovranno capire come mettere insieme molte sezioni dell’acceleratore di plasma per ottenere energie incredibilmente elevate necessarie per la futura fisica delle particelle del collisore. "Mentre per costruire un XFEL che si basa sull'accelerazione del campo di scia del plasma, potrebbe essere necessario solo uno stadio del plasma, per raggiungere l'energia a livello del collisore di particelle, sono necessari molti stadi", ha affermato Hogan.
All’inizio di quest’anno, un team dello SLAC, dell’Università di Strathclyde e di altre istituzioni ha fatto un grande passo avanti nella ricerca sull’accelerazione del campo di scia del plasma. Hanno sviluppato una simulazione al computer che ha mostrato come un acceleratore al plasma può generare fasci di elettroni precisi e di alta qualità controllando la luminosità di un raggio.
Gestire la luminosità del raggio è impegnativo perché ci sono tre valori di parametri chiave che cambiano sostanzialmente lungo il percorso seguito dalle particelle. Il modello del team ha mostrato come ottimizzare questi parametri fin dall'inizio dell'esperimento, quando il raggio è ancora nel plasma.
Nello specifico, il gruppo di ricerca ha calcolato come gestire la luminosità degli elettroni controllando la corrente del fascio, che descrive quanti elettroni compongono il fascio; emittanza, che è il modo in cui gli elettroni si diffondono mentre si propagano nello spazio; e la diffusione dell'energia, che descrive l'intervallo delle velocità degli elettroni. Hanno pubblicato i loro risultati su Nature Communications .
"Con questo modello, possiamo testare come migliorare l'emissività e la luminosità del fascio di elettroni nel nostro design compatto, forse per ordini di grandezza", ha affermato Hogan, coautore dell'articolo. "Estrarre fasci di elettroni dagli acceleratori di plasma preservandone la qualità è fondamentale per la nostra missione di fisica delle alte energie e per la scienza dei raggi X."
In futuro, i ricercatori proveranno a costruire configurazioni ibride di un XFEL compatto, una versione che potrebbe consentire l’interazione tra più impulsi laser a raggi X e raggi ultraluminosi. FACET-II potrebbe essere il luogo in cui testare queste idee ibride, ora che il quadro di simulazione dall'inizio alla fine è stato stabilito, hanno affermato i ricercatori.
Un altro passo avanti nella ricerca sull’accelerazione del campo di scia del plasma è avvenuto di recente quando i ricercatori hanno mostrato come unire insieme gli stadi dell’acceleratore del plasma per creare un acceleratore più lungo e più potente. Questo tipo di acceleratore potrebbe essere utilizzato in futuro per creare fasci ad energia estremamente elevata in un collisore di particelle.
Il gruppo di ricerca, che comprendeva lo scienziato dello SLAC Alexander Knetsch e ricercatori del Politecnico di Parigi e altre intuizioni, ha mostrato come utilizzare più raggi guida per mantenere la qualità del raggio e aumentare l'energia.
Nel loro metodo, un raggio propulsore apre la strada attraverso il plasma, creando una scia:l’idea standard nell’accelerazione del campo di scia del plasma. Dietro questo fascio motore segue il fascio di elettroni primario, chiamato fascio di trascinamento, che verrà spinto ad alte energie per gli esperimenti:ancora una volta, l'approccio standard. Ma col passare del tempo, la trave motrice perde energia, come un ciclista in testa perde energia dopo aver lottato contro il vento per i ciclisti dietro. Il gruppo di ricerca, quindi, ha mostrato come sostituire la vecchia e stanca trave propulsiva con una nuova e fresca trave propulsiva. Questa tecnica aiuta il fascio di elettroni trascinato a continuare a guadagnare energia.
Tuttavia, sostituire la vecchia trave motrice con una nuova è più difficile che sostituire un ciclista in testa in una gara ciclistica. Il vecchio raggio propulsore si muove ancora quasi alla velocità della luce, quindi per effettuare il cambio, il metodo utilizza magneti dipolari che formano una chicane, ovvero due strade, una più lunga dell'altra, che si incontrano dopo essersi separate. Le chicane consentono alla trave guida di spostarsi mentre la trave posteriore continua con una nuova trave guida.
Inoltre, i ricercatori hanno mostrato come trasportare il fascio di raggi attraverso ciascuno stadio del plasma utilizzando lenti di focalizzazione che aiutano il raggio finale a rimanere sul percorso mentre avviene lo scambio del raggio motore. I ricercatori hanno pubblicato un articolo che descrive l'idea a settembre in Physical Review Letters .
Oltre all’accelerazione del campo di scia del plasma, i ricercatori hanno altre idee su come accelerare le particelle su distanze più brevi. Una di queste idee sarà realizzata presso l'Arizona State University (ASU) con la collaborazione di Emilio Nanni dello SLAC e altri. Il progetto utilizza i laser, anziché solo i magneti, per muovere gli elettroni all'interno di un XFEL per produrre potenti raggi X necessari per gli esperimenti.
Negli XFEL tradizionali, potenti magneti muovono un fascio di particelle per generare raggi X. La linea di magneti può essere lunga, il che significa che la lunghezza complessiva del FEL sarà lunga. Ma cosa succederebbe se un FEL non avesse bisogno di una linea completa di magneti per far danzare le particelle ed emettere radiazioni a raggi X? Questa è la domanda che ha contribuito alla progettazione del compatto XFEL, che utilizza un raggio laser per colpire il fascio di particelle, aiutando il raggio a oscillare e producendo potenti raggi X. I laser significano che potrebbero essere necessari meno magneti oscillanti, con il risultato di un FEL complessivo più breve se l'idea funziona nella pratica.
Il compatto XFEL sarà costruito entro i prossimi cinque anni nel campus dell'ASU Tempe. Costruire acceleratori piccoli e più compatti è una buona cosa per la scienza, hanno detto i ricercatori. Ciò significa che più persone e luoghi potranno accedere agli acceleratori di particelle, che sono stati uno degli strumenti più importanti negli ultimi 100 anni nella scienza.
Tornati nel tunnel dell'acceleratore, Spencer Gessner chiude il coperchio del cestino da picnic e si dirige verso un lungo tavolo. Qui, il collega scienziato SLAC Doug Storey sta in piedi e lavora su un laptop, esaminando i dati sulle prestazioni del raggio. La tabella è chiamata tabella beam dump ed è la principale area diagnostica post-plasma per misurare cosa è successo al fascio di elettroni dopo l'accelerazione del campo di scia del plasma, ha detto Storey.
"Questo tavolo è il punto in cui la gomma incontra la strada, per così dire", ha detto. "Dispone di una serie di telecamere diagnostiche che misurano i parametri chiave necessari per dimostrare con successo l'accelerazione del campo di scia del plasma."
Le telecamere sul tavolo sembrano segnali di stop a un incrocio. Sono montati su aste e sono rivolti in direzioni diverse, ciascuno raccoglie diversi tipi di dati sull'energia del raggio accelerato entro una piccola frazione percentuale e sulla dimensione del punto del raggio inferiore a pochi micrometri, che sono indicatori chiave della luminosità del raggio , ha detto Storey. Inoltre, alcune telecamere visualizzano i raggi X e i raggi gamma prodotti quando il raggio attraversa il plasma. Queste informazioni aiutano gli scienziati a capire come migliorare la qualità dell'accelerazione del plasma, ha affermato Storey.
Storey guarda di nuovo il suo portatile e ricomincia a lavorare. Gessner lo supera, tornando verso l'inizio della struttura. Guida l'uscita dall'acceleratore, dove sta cuocendo la prossima generazione di acceleratori più piccoli e potenti.
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica , Comunicazioni sulla natura
Fornito da SLAC National Accelerator Laboratory
