Genom att observera elektroner som har accelererats till extremt höga energier, forskare kan låsa upp ledtrådar om partiklarna som utgör vårt universum.

Accelerera elektroner till så höga energier i en laboratoriemiljö, dock, är utmanande:vanligtvis ju mer energiska elektronerna, desto större partikelaccelerator. Till exempel, för att upptäcka Higgs boson - den nyligen observerade "gudspartikeln, "ansvarig för massan i universum - forskare vid CERN -laboratoriet i Schweiz använde en partikelaccelerator som var nästan 17 mil lång.

Men tänk om det fanns ett sätt att skala ner partikelacceleratorer, producerar elektroner med hög energi på en bråkdel av avståndet?

I ett papper publicerat i Fysiska granskningsbrev , forskare vid University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics (LLE) skisserade en metod för att forma intensivt laserljus på ett sätt som accelererar elektroner för att registrera energier på mycket korta avstånd:forskarna uppskattar att acceleratorn skulle vara 10, 000 gånger mindre än en föreslagen installation som registrerar liknande energi, reducera gaspedalen från nästan längden på Rhode Island till längden på ett matbord. Med en sådan teknik, forskare kan utföra experiment på bordsskivor för att undersöka Higgs -bosonet eller utforska förekomsten av extra dimensioner och nya partiklar som kan leda till Albert Einsteins dröm om en stor enhetlig teori om universum.

"Elektronerna med högre energi krävs för att studera grundläggande partikelfysik, "säger John Palastro, en forskare vid LLE och tidningens huvudförfattare. "Elektronacceleratorer ger ett inblick i en sub-atomär värld bebodd av universums grundläggande byggstenar."

Även om denna forskning för närvarande är teoretisk, LLE arbetar för att göra det till verklighet genom planer på att konstruera den högst drivna lasern i världen på LLE. Lasern, att få namnet EP-OPAL, kommer att tillåta forskarna att skapa de extremt kraftfulla skulpterade ljuspulser och teknik som beskrivs i detta dokument.

Elektronacceleratorn som forskarna skisserat bygger på en revolutionerande teknik för att skulptera formen på laserpulser så att deras toppar kan färdas snabbare än ljusets hastighet.

"Denna teknik kan tillåta att elektroner accelereras utöver vad som är möjligt med nuvarande teknik, "säger Dustin Froula, en senior forskare vid LLE och en av tidningens författare.

För att skulptera laserpulserna, forskarna utvecklade en ny optisk installation som liknar en cirkulär amfiteater med våglängdsstora "steg" som används för att skapa en tidsfördröjning mellan koncentriska ljusringar som levereras från en högeffektslaser.

En typisk lins fokuserar varje ljusring från en laser till ett enda avstånd från linsen, bildar en enda plats med högintensitetsljus. Istället för att använda en typisk lins, dock, forskarna använder en exotiskt formad lins, vilket gör att de kan fokusera varje ljusring till ett annat avstånd från linsen, skapa en linje med hög intensitet snarare än en enda plats.

När denna skulpterade ljuspuls kommer in i en plasma - en varm soppa av fritt rörliga elektroner och joner - skapar det ett vak, liknande kölvattnet bakom en motorbåt. Det här vaket sprider sig med ljusets hastighet. Ungefär som en vattenskidåkare som åker i en båts kölvatten, elektronerna accelererar sedan när de åker efter de skulpterade laserljuspulserna.

Dessa "laser wakefield -acceleratorer" (LWFA) teoretiserades först för nästan 40 år sedan, och avancerade genom uppfinningen av chirped-pulsförstärkning (CPA), en teknik som utvecklats vid LLE av 2018 års Nobelpristagare Donna Strickland och Gerard Mourou.

Tidigare versioner av LWFA, dock, används traditionellt, ostrukturerade ljuspulser som sprids långsammare än ljusets hastighet, vilket innebar att elektronerna skulle överskrida kölvattnet, begränsa deras acceleration. De nya skulpterade ljuspulserna möjliggör snabbare än ljushastigheter så att elektroner kan köra i kölvattnet på obestämd tid och kontinuerligt accelereras.

"Detta arbete är extremt innovativt och skulle vara en spelväxlare för laseracceleratorer, "säger Michael Campbell, direktör för LLE. "Denna forskning visar värdet av teoretisk och experimentell plasmafysik i nära samarbete med enastående laserforskare och ingenjörer - det representerar det bästa av LLE -kulturen."