En enastående gåta om vad som händer med laserenergin efter att strålar avfyras i plasma har lösts i nypublicerad forskning vid University of Strathclyde.

Studien upptäckte att samma krafter som producerar en bubbla i plasma i laserplasmas wakefield-accelerator producerar ytterligare två lågenergi- men högladdade elektronstrålar samtidigt med en lågladdad högenergistråle. Dessa högladdningsstrålar kan ha tusen gånger mer laddning än högenergistrålen.

Plasma, tillståndet i vilket nästan hela universum existerar, kan stödja elektriska fält som är 1, 000 till 10, 000 gånger högre än i konventionella acceleratorer, helt enkelt genom att separera de positivt och negativt laddade partiklar som utgör plasmamediet, vilket är nästan neutralt.

Detta kan enkelt uppnås med en intensiv laserpuls, vars lätta tryck driver elektroner ur vägen, lämnar efter sig de mycket tyngre joner som förblir på plats och utövar en attraktionskraft på de förskjutna elektronerna. De förskjutna elektronerna svänger sedan runt de stationära jonerna vilket resulterar i ett kölvatten bakom laserpulsen, på liknande sätt som vaken bakom en båt.

Eftersom laserpulsen färdas med en hastighet nära ljusets i vakuum, kölvattnet kan spåra och accelerera laddade partiklar snabbt till mycket höga energier, över extremt korta längder.

Forskningsdokumentet, med titeln Tre elektronstrålar från en väckningsaccelerator med laserplasma och frågan om energifördelning, har publicerats i Vetenskapliga rapporter .

Professor Dino Jaroszynski, vid Strathclydes institution för fysik, ledde studien. Han sa:"Den intensiva laserpulsen vi använde, och accelerationen av kölvattnet det skapar, leda till en mycket kompakt laser wakefield accelerator, som är millimeter lång, snarare än tiotals meter långa, för en likvärdig konventionell accelerator. Plasmavaket formas till något som liknar en bubbelformad, laserdriven miniatyr Van de Graaf accelerator, som färdas nära ljusets hastighet.

"En del av laserenergin omvandlas till elektrostatisk energi i plasmabubblan, som har en diameter på flera mikrometer. Konventionella acceleratorer lagrar sin mikrovågsenergi i koppar eller supraledande kaviteter, som har begränsad kraftbärande förmåga.

"En intressant gåta som inte har övervägts tidigare är frågan om vart laserenergi tar vägen efter att ha deponerats i plasma. Vi vet var en del av denna energi går på grund av närvaron av högenergielektroner som emitteras i en smal, framåtriktad stråle.

"En av dessa strålar sänds ut av en slungverkan i en bred framåtriktad kon, med flera MeV (mega elektronvolt) energier och laddning på nanocoulomb-nivå. Paradoxalt, en annan stråle sänds ut i riktning bakåt, som har liknande laddning men en energi på runt 200 keV (kiloelektronvolt). Dessa strålar bär bort en betydande mängd energi från plasmabubblan.

"Det är intressant att observera att svaret på en mycket grundläggande fråga - vart tar laserenergin vägen? - ger överraskande och paradoxala svar. Genom att introducera en ny teknik, som laser-vakefältsacceleratorn, kan förändra vårt sätt att tänka på acceleratorer. Resultatet är en mycket ny källa för flera laddningspartikelstrålar som sänds ut samtidigt.

"Min forskargrupp har visat att wakefield-acceleratorn producerar tre strålar, varav två är lågenergi och hög laddning, och den tredje, hög energi och låg laddning."

Dr Enrico Brunetti, en forskare vid Strathclydes institution för fysik och en medlem av forskargruppen, sa:"Dessa strålar kan ge ett användbart högt flöde av elektroner eller bremsstrahlung-fotoner över ett stort område, som kan användas för bildbehandlingsapplikationer, eller för att undersöka strålskador i material. Om det inte dumpas ordentligt, Dom kan, dock, har oönskade biverkningar, som att orsaka skada på utrustning placerad nära gaspedalen.

"Detta är ett särskilt problem för längre acceleratorer, som ofta använder plasmavågledare baserade på kapillärer för att styra laserstrålen över långa avstånd. Dessa lågenergi, högladdningsstrålar bär också en stor mängd energi bort från plasman, sätta en gräns för effektiviteten hos laser-wakefield-acceleratorer.

"Detta är en fråga som måste beaktas i den framtida designen och konstruktionen av laser-wakefield-acceleratorer."