För att förstå den grundläggande naturen i vårt universum, forskare skulle vilja bygga partikelkolliderare som accelererar elektroner och deras antimateriamotsvarigheter (positroner) till extrema energier (upp till teraelektronvolt, eller TeV). Med konventionell teknik, dock, detta kräver en maskin som är enormt stor och dyr (tänk 20 miles (32 km) lång). För att minska storleken och kostnaden för dessa maskiner, accelerationen av partiklarna – hur mycket energi de får på ett givet avstånd – måste ökas.

Det är här plasmafysiken kan ha en dramatisk inverkan:en våg av laddade partiklar – en plasmavåg – kan ge denna acceleration genom sitt elektriska fält. I en laserplasmaaccelerator, intensiva laserpulser används för att skapa en plasmavåg med elektriska fält som kan vara tusentals gånger starkare än de som kan uppnås med konventionella acceleratorer.

Nyligen, teamet vid Berkeley Labs BELLA Center fördubblade det tidigare världsrekordet för energi producerad av laserplasmaacceleratorer, genererar elektronstrålar med energier upp till 7,8 miljarder elektronvolt (GeV) i en 8 tum lång plasma (20 cm). Detta skulle kräva cirka 300 fot (91 m) med konventionell teknik.

Forskarna uppnådde denna bedrift genom att motverka den naturliga spridningen av laserpulsen med hjälp av en ny typ av plasmavågledare. I denna vågledare, en elektrisk urladdning utlöses i ett safirrör fyllt med gas för att bilda ett plasma, och en "värmare" laserpuls borrar ut en del av plasman i mitten, vilket gör den mindre tät så att den fokuserar laserljuset (Figur 1). Plasmakanalen är tillräckligt stark för att hålla de fokuserade laserpulserna väl begränsade över 8-tums acceleratorlängden.

"Värmarstrålen tillät oss att kontrollera utbredningen av förarens laserpuls, ", sa Dr. Anthony Gonsalves. "Nästa experiment kommer att syfta till att få precisionskontroll över elektroninjektion i plasmavågen för att uppnå oöverträffad strålkvalitet, och att koppla ihop flera steg för att visa vägen till ännu högre energi."

Att få nästa generation av elektron-positronkolliderar till TeV-energier kommer att kräva att en serie laserplasmaacceleratorer kopplas samman, med varje steg som ger partiklarna en energikick. Berkeley Lab-prestationen är spännande eftersom 7,8 GeV handlar om den energi som behövs för att dessa steg ska vara effektiva.