En uppsättning nya lasersystem och föreslagna uppgraderingar vid Department of Energy's (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kommer att driva långsiktiga planer för en mer kompakt och prisvärd partikelkolliderare för ultrahög energi.

Framsteg med dessa lasersystem och laserdrivna acceleratorer kan också ge många spinoffs, till exempel ett nytt verktyg för att jaga efter radioaktivt material, och ett miniatyriserat och mycket avstämbart frilektronlasersystem som möjliggör en rad vetenskapliga experiment.

Dessa ansträngningar beskrivs i en DOE-sponsrad verkstadsrapport som fokuserar på en uppsättning av 10-åriga vägkartor som är utformade för att starta FoU som driver en nästa generations partikelkolliderare för högenergifysik. Det slutliga målet är en maskin som kan utforska fysik utanför räckhåll för CERNs Large Hadron Collider (LHC). Dagens mest kraftfulla kolliderare, LHC möjliggjorde upptäckten av Higgs boson som resulterade i Nobelpriset i fysik 2013.

LHC, med en huvudring 17 miles i omkrets, kolliderar protoner - subatomära partiklar som frigörs från mitten av atomer - vid kollisionsenergier på upp till 13 biljoner elektronvolt (13 TeV).

Under tiden, förslag på nästa generations linjära kolliderare skulle kollidera elektroner och deras antipartiklar, positroner, vid lägre energier - från några hundra miljarder elektronvolt (GeV) upp till några TeV. Och medan kollisionenergierna för dessa maskiner skulle vara lägre än för LHC, fysiken för deras elektron-positron-kollisioner skulle vara kompletterande, möjliggör mer specifik, detaljerade mätningar för vissa partikelegenskaper och fenomen.

Att bygga en elektron-positron-kollider på TeV-nivå med dagens acceleratorteknik är möjligt men skulle vara dyrt på grund av dess stora storlek (dess fotavtryck skulle sannolikt mäta mer än 20 miles).

I ett försök att minska omfattningen och tillhörande kostnader för en nästa generations kolliderare, Office of High Energy Physics inom DOE:s Office of Science samlade mer än två dussin experter från DOE och över hela landet för att utarbeta en Advanced Accelerator Development Strategy Report som sätter upp mål för tre potentiellt spelförändrande acceleratortekniker under de kommande tio åren.

Bland andra rekommendationer, rapporten belyser behovet av FoU på BELLA, Berkeley Lab Laser Accelerator, som är baserad på en av dessa tre tekniker:en laserdriven plasma wakefield-accelerator (LWFA). Denna accelerationsform använder en eller flera laser för att accelerera elektroner till höga energier.

Två andra wakefield-accelerationskoncept utvecklas någon annanstans-ett för en partikelstråldriven accelerator, den andra för en dielektrisk wakefield -accelerator - ingår också i färdplanen.

Andra accelerationstekniker är under utveckling som ligger utanför rapportens omfattning, inklusive en FoU-insats baserad på CERN kallad AWAKE som utforskar protondriven plasma-wakefieldacceleration.

De nya tillvägagångssätten för partikelacceleration som godkänts i rapporten erbjuder alla potentiella sätt att krympa partikelacceleratorer med hög energi genom att skapa kompakta, täta plasma -vågor - bildade i heta, högladdade gaser - som snabbt accelererar massor av exakt placerade elektroner som en surfare som åker på en havsvåg.

BELLA -forskare har redan demonstrerat en modulär LWFA -installation för att nå höga energier, och arbetar nu med att förbättra detta. Det kortsiktiga målet som beskrivs i rapporten är att uppnå elektronstråleenergier på 10 GeV, upp från BELLA:s nuvarande världsrekord på 4,3 GeV.

"När vi har tio GeV -strålar öppnar det upp en helt ny mängd saker. Det kommer att vara ett stort steg framåt, "sa Wim Leemans, chef för Labs Accelerator Technology &Applied Physics Division. 10 GeV -målet är signifikant eftersom det representerar en energitröskel för att generera positronstrålar med hög laddning, som skulle krävas för en nästa generations kolliderare.

Färdplanen för LWFA, Leemans sa, "ger oss ett ankare i hela acceleratorprogrammet" som beskrivs för DOE:s nationella laboratoriekomplex.

BELLA-teamet kommer att fortsätta två olika tillvägagångssätt för att uppnå detta 10 GeV-mål:en enkelaccelerator-stegs installation med en enda laser, och en tvåstegsstrategi med två separata lasrar.

Det första steget kommer att höja elektronstrålenergin till 5 GeV, och det andra steget kommer att accelerera strålen ytterligare 5 GeV, till 10 GeV. Den andra BELLA-strållinjen för tvåstråleuppsättningen kan byggas i slutet av 2018, som beskrivs i färdplanen, förutsatt att finansiering finns tillgänglig.

Rapporten noterar att förutom framsteg inom acceleratorteknik, det måste också ske en ny utveckling inom laserteknik, och stödutrustning som speglar, att inse denna nya typ av kolliderare.

BELLA använder nu safirkristaller dopade med titan för att producera sitt laserljus. För att uppnå mycket högre energier, och genomsnittlig stråleffekt, DOE -rapporten rekommenderar att man fortsätter med andra typer av lasrar, såsom optisk fiber, fast tillstånd, eller koldioxidlasrar, bland andra tillvägagångssätt.

En viktig teknikutmaning för BELLA är att göra dess pulser snabbare, ökar från en strömhastighet på cirka 1 puls per sekund till en hastighet på cirka 1, 000 per sekund, eller 1 kilohertz (i en framtida utveckling kallad "K-BELLA").

I sista hand, en puls på 10, 000 eller 100, 000 per sekund skulle vara perfekt för en nästa generations kolliderare, sa Carl Schroeder, en senior vetenskapsman från Berkeley Lab som leder teoretiska och modellerande insatser för BELLA -experiment och har arbetat med konceptuella konstruktioner och modellering för denna LWFA -kollider.

Om dess FoU -insatser är framgångsrika, BELLA:s maximala energi bör vara tillräcklig för att nå 10 GeV -accelerationens milstolpe, sa Anthony Gonsalves, en personalvetare från Berkeley Lab som arbetar med BELLA. "Vi har gott om plats i" tanken " - det finns mycket takhöjd i energi som vi inte ens har undersökt än."

Förutom arbetet med att utveckla enstråle och tvåstrålar till en 10 GeV LWFA, Labs utveckling av en ny, kompakt typ av frielektronlaser (FEL) och en separat bärbar gammastrålkälla-för att börja testa nästa år-kan vara de första viktiga tillämpningarna av LWFA-tekniken om insatserna visar sig lyckas.

FEL är mycket avstämbara ljuskällor som kan hjälpa till att utforska materia ner till atom- och molekylskalan med ultraljuspulser mätt i femtosekunder, eller kvadriljondelar av en sekund. FEL-projektet försöker minimera röntgen-FEL genom att ersätta en kilometerlång konventionell accelerationsstruktur med en wakefield-accelerator som är mindre än 10 meter lång.

Den plasmabaserade gammastrålkällan, under tiden, kan visa sig vara ett användbart och bärbart verktyg för att upptäcka kärnämnen.

Schroeder sa, "FEL- och gammastrålkällan är erkända som tidiga tillämpningar av denna teknik. Lasersystemen för dessa experiment kommer att tas i drift i vinter.

"Färdplanen innehåller ett rikt program för det kommande decenniet, "tillagda Leemans." Nyckelkoncept utvecklas mot framtida plasmabaserade kolliderare, och BELLA, med uppgraderingar, kommer att möjliggöra testning och utveckling av många av dessa koncept. "