Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory har börjat montera en ny anläggning för revolutionerande acceleratorteknologier som kan göra framtida acceleratorer 100 till 1, 000 gånger mindre och ökar deras kapacitet.

Projektet är en uppgradering av Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET), en DOE Office of Science-användaranläggning som fungerade från 2011 till 2016. FACET-II kommer att producera strålar av högenergiska elektroner som sin föregångare, men med ännu bättre kvalitet. Dessa strålar kommer främst att användas för att utveckla plasmaaccelerationstekniker, som kan leda till nästa generations partikelkolliderare som förbättrar vår förståelse för naturens grundläggande partiklar och krafter och nya röntgenlasrar som ger oss oöverträffade vyer av ultrasnabba processer i atomvärlden omkring oss.

FACET-II kommer att vara en unik anläggning som kommer att hjälpa till att hålla USA i framkanten av acceleratorvetenskap, sa SLAC:s Vitaly Yakimenko, projekt ledare. "Dess högkvalitativa strålar gör det möjligt för oss att utveckla nya accelerationsmetoder, " sa han. "Särskilt, dessa studier kommer att föra oss nära att förvandla plasmaacceleration till faktiska vetenskapliga tillämpningar."

DOE har nu godkänt projektet på 26 miljoner dollar (kritiska beslut 2 och 3). Den nya anläggningen, som förväntas vara färdigt i slutet av 2019, kommer också att fungera som en Office of Science-användaranläggning – en federalt sponsrad forskningsanläggning för avancerad acceleratorforskning tillgänglig på en konkurrenskraftig, peer-reviewed grund för forskare från hela världen.

"Som en strategiskt viktig nationell användaranläggning, FACET-II kommer att tillåta oss att utforska genomförbarheten och tillämpningarna av plasmadriven acceleratorteknik, sa James Siegrist, biträdande direktör för programmet High Energy Physics (HEP) vid DOE:s Office of Science, som förvaltar avancerad accelerator FoU i USA för utveckling av tillämpningar inom vetenskap och samhälle. "Vi ser fram emot att se den banbrytande vetenskapen inom detta område som FACET-II lovar, med potential för betydande minskning av storleken och kostnaderna för framtida acceleratorer, inklusive frielektronlasrar och medicinska acceleratorer."

Bruce Dunham, chef för SLAC:s acceleratordirektorat, sa, "Vårt labb byggdes på acceleratorteknik och fortsätter att driva på innovationer på området. Vi är glada över att se FACET-II gå framåt."

Surfa på Plasma Wake

Den nya anläggningen kommer att bygga på framgångarna från FACET, där forskare redan har visat att plasmatekniken mycket effektivt kan öka energin hos elektroner och deras antimateriapartiklar, positroner. I denna metod, forskare skickar ett gäng mycket energiska partiklar genom en het joniserad gas, eller plasma, skapa ett plasmavak för ett släpande gäng att "surfa" på och få energi.

I konventionella acceleratorer, partiklar hämtar energi från ett radiofrekvent fält inuti metallstrukturer. Dock, dessa strukturer kan endast stödja en begränsad energivinst per sträcka innan de går sönder. Därför, acceleratorer som genererar mycket höga energier blir mycket långa, och mycket dyrt. Plasma wakefield-metoden lovar att bryta ny mark. Framtida plasmaacceleratorer kan till exempel, veckla ut samma accelerationskraft som SLAC:s historiska 2 mil långa kopparaccelerator (linac) på bara några meter.

Forskare kommer att använda FACET-II för avgörande utvecklingar innan plasmaacceleratorer kan bli verklighet. "Vi måste visa att vi kan bevara kvaliteten på strålen när den passerar genom plasma, " sa SLACs Mark Hogan, FACET-II projektforskare. "Högkvalitativa strålar är ett absolut krav för framtida tillämpningar inom partikel- och röntgenlaserfysik."

FACET-II-anläggningen är för närvarande finansierad för att fungera med elektroner, men dess design gör det möjligt att lägga till förmågan att producera och accelerera positroner senare - ett steg som skulle möjliggöra utvecklingen av plasmabaserade elektron-positronpartikelkolliderar för partikelfysikexperiment.

Ett annat viktigt mål är utvecklingen av nya elektronkällor som kan leda till nästa generations ljuskällor, såsom ljusare än någonsin röntgenlasrar. Dessa kraftfulla upptäcktsmaskiner ger forskare en aldrig tidigare skådad syn på den ständigt föränderliga atomvärlden och öppnar nya vägar för forskning inom kemi, biologi och materialvetenskap.

Andra vetenskapsmål för FACET-II inkluderar kompakta wakefield-acceleratorer som använder vissa elektriska isolatorer (dielektrikum) istället för plasma, samt diagnostik och beräkningsverktyg som noggrant kommer att mäta och simulera fysiken i den nya anläggningens kraftfulla elektronstrålar. Vetenskapsmål utvecklas med regelbunden input från FACET-användargemenskapen.

"Godkännandet av FACET-II är en spännande milstolpe för vetenskapssamhället, " sa Chandrashekhar Joshi, en forskare från University of California, Los Angeles, och mångårig samarbetspartner till SLAC:s plasmaaccelerationsteam. "Anläggningen kommer att tänja på gränserna för acceleratorvetenskap, upptäck ny och oväntad fysik och bidrar väsentligt till landets samordnade ansträngning inom avancerad accelerator FoU."

Snabbspår till första experiment

För att färdigställa anläggningen, besättningar kommer att installera en elektronkälla och magneter för att komprimera elektronknippen, samt ny skärmning, sa SLAC:s Carsten Hast, FACET-II teknisk chef. "Vi kommer också att uppgradera anläggningens styrsystem och installera verktyg för att analysera strålens egenskaper."

FACET-II kommer att använda en kilometer (en tredjedel) av SLAC-linac – som skickar elektroner från källan i ena änden till experimentområdet i andra änden – för att generera en elektronstråle med en energi på 10 miljarder elektronvolt som kommer att driva anläggningens mångsidiga forskningsprogram.

FACET-II har utfärdat sin första utlysning av förslag för experiment som kommer att köras när anläggningen går online 2020.

"Projektteamet har gjort ett enastående jobb med att säkra DOE-godkännande för anläggningen, " sa DOE:s Hannibal Joma, federal projektledare för FACET-II. "Vi kommer nu att leverera projektet i tid för användarprogrammet på SLAC."

SLAC:s Selina Green, projektledare, sa, "Efter två år av mycket hårt arbete, det är väldigt spännande att se projektet äntligen förenas. Tack vare DOE:s fortsatta stöd kommer vi snart att kunna öppna FACET-II för banbrytande ny vetenskap."