Genom att kombinera en första laserpuls för att värma upp och "borra" genom en plasma, och en annan för att accelerera elektroner till otroligt höga energier på bara tiotals centimeter, forskare har nästan fördubblat det tidigare rekordet för laserdriven partikelacceleration.

Laser-plasma-experimenten, utförd vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), driver mot mer kompakta och prisvärda typer av partikelacceleration för att driva exotiska, högenergimaskiner-som röntgenfrielektronlasrar och partikelkolliderare-som skulle kunna göra det möjligt för forskare att se tydligare på molekylernas skala, atomer, och även subatomära partiklar.

Det nya rekordet av drivande elektroner till 7,8 miljarder elektronvolts (7,8 GeV) vid Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center överträffar ett 4,25 GeV -resultat på BELLA som tillkännagavs 2014. Den senaste forskningen beskrivs i den 25 februari -utgåvan av tidskriften Fysiska granskningsbrev . Rekordresultatet uppnåddes under sommaren 2018.

Experimentet använde otroligt intensiva och korta "driver" laserpulser, var och en med en toppeffekt på cirka 850 biljoner watt och begränsad till en pulslängd på cirka 35 kvadriljondelar av en sekund (35 femtosekunder). Toppeffekten motsvarar att tända cirka 8,5 biljoner 100-watts glödlampor samtidigt, även om lamporna bara skulle tändas i tiotals femtosekunder.

Varje intensiv drivande laserpuls levererade en tung "kick" som rörde upp en våg inuti en plasma - en gas som har värmts upp tillräckligt för att skapa laddade partiklar, inklusive elektroner. Elektroner red plasmavågens topp, som en surfare som åker på en havsvåg, för att nå rekordnyheter inom ett 20 centimeter långt safirrör.

"Bara att skapa stora plasmavågor var inte tillräckligt, "noterade Anthony Gonsalves, huvudförfattare till den senaste studien. "Vi behövde också skapa dessa vågor över hela 20 centimeter röret för att accelerera elektronerna till så hög energi."

För att göra detta krävs en plasmakanal, som begränsar en laserpuls på ungefär samma sätt som en fiberoptisk kabel kanaliserar ljus. Men till skillnad från en konventionell optisk fiber, en plasmakanal tål de ultraintensiva laserpulser som behövs för att accelerera elektroner. För att bilda en sådan plasmakanal, du måste göra plasma mindre tätt i mitten.

I experimentet 2014, en elektrisk urladdning användes för att skapa plasmakanalen, men för att gå till högre energier behövde forskarna plasmatäthetsprofilen vara djupare - så den är mindre tät i mitten av kanalen. I tidigare försök tappade lasern sitt täta fokus och skadade safirröret. Gonsalves noterade att även de svagare områdena i laserstrålens fokus-dess så kallade "vingar" var tillräckligt starka för att förstöra safirstrukturen med den tidigare tekniken.

Eric Esarey, BELLA Center Director, sa att lösningen på detta problem inspirerades av en idé från 1990 -talet att använda en laserpuls för att värma plasma och bilda en kanal. Denna teknik har använts i många experiment, inklusive en Berkeley Lab-insats från 2004 som producerade högkvalitativa strålar som nådde 100 miljoner elektronvolt (100 MeV).

Både 2004 -laget och teamet som deltog i den senaste insatsen leddes av tidigare ATAP och BELLA Center Director Wim Leemans, som nu är på DESY -laboratoriet i Tyskland. Forskarna insåg att kombinationen av de två metoderna - och att sätta en värmestråle ner i centrum av kapillären - fördjupar och förminskar plasmakanalen ytterligare. Detta gav en väg framåt för att uppnå strålar med högre energi.

I det senaste experimentet, Gonsalves sa, "Den elektriska urladdningen gav oss utsökt kontroll för att optimera plasmaförhållandena för värmarens laserpuls. Tidpunkten för den elektriska urladdningen, värmepuls, och förarpulsen var kritisk. "

Den kombinerade tekniken förbättrade radikalt begränsningen av laserstrålen, bevara intensiteten och fokus för körlasern, och begränsar sin fläckstorlek, eller diameter, till bara tiotals miljoner av en meter när den rörde sig genom plasmaröret. Detta möjliggjorde användning av en plasma med lägre densitet och en längre kanal. Tidigare 4,25 GeV-rekord hade använt en 9-centimeter kanal.

Teamet behövde nya numeriska modeller (koder) för att utveckla tekniken. Ett samarbete inklusive Berkeley Lab, Keldysh Institute of Applied Mathematics i Ryssland, och ELI-Beamlines-projektet i Tjeckien anpassade och integrerade flera koder. De kombinerade MARPLE och NPINCH, utvecklad vid Keldysh Institute, att simulera kanalbildningen; och INF &RNO, utvecklad vid BELLA Center, för att modellera laser-plasma-interaktioner.

"Dessa koder hjälpte oss att snabbt se vad som gör den största skillnaden - vad är det som gör att du kan uppnå vägledning och acceleration, "sa Carlo Benedetti, ledande utvecklare av INF &RNO. När koderna visade sig överensstämma med experimentella data, det blev lättare att tolka experimenten, noterade han.

"Nu är det vid den punkt där simuleringarna kan leda och berätta vad vi ska göra härnäst, "Sa Gonsalves.

Benedetti noterade att de tunga beräkningarna i koderna drog till resurserna från National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) vid Berkeley Lab. Framtida arbete som driver mot högre energiacceleration kan kräva betydligt mer intensiva beräkningar som närmar sig en regim som kallas exascale computing.

"I dag, strålarna som produceras kan möjliggöra produktion och fångst av positroner, "som är elektroners positivt laddade motsvarigheter, sa Esarey.

Han noterade att det finns ett mål att nå 10 GeV -energier i elektronacceleration vid BELLA, och framtida experiment kommer att rikta denna tröskel och bortom.

"I framtiden, flera högenergisteg för elektronacceleration kan kopplas ihop för att förverkliga en elektron-positron-kolliderare för att utforska grundläggande fysik med ny precision, " han sa.