En ny anläggning som kan bana väg för en framtida generation av partikelkolliderare och kraftfulla ljuskällor har tänts på Department of Energy:s SLAC National Accelerator Laboratory. Fungerar som en DOE -användaranläggning, FACET-II är den enda anläggningen i världen som kan tillhandahålla elektroner med hög energi och positronstrålar för att undersöka ett stort antal revolutionerande acceleratortekniker som kan krympa framtida acceleratorer med faktorer på 100 till 1, 000 och skärpa sina möjligheter.

"Partikelacceleratorer är de ultimata mikroskop, "säger Mark Hogan, FACET-II projektvetare. "Vi kan använda dem för att göra högenergi strålar som vi kan kollidera för att förstå de minsta partiklarna och krafterna som håller universum ihop, eller så kan vi vicka strålarna fram och tillbaka för att skapa kraftfulla röntgenstrålar som gör att vi kan ta bilder av ultraljud, ultrasnabba atomprocesser för att förstå biologi och kemi. FACET-II hjälper oss att utveckla ny teknik som gör att vi kan bygga mindre maskiner, billigare och kraftfullare. "

Surfen är uppe

Projektet är en uppgradering av Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET), en användaranläggning för DOE Office of Science som fungerade från 2011 till 2016, när anläggningen avvecklades för att ge plats för uppgraderingar av laboratoriets röntgenfri-elektronlaser, Linac Coherent Light Source (LCLS). FACET-II bygger på framgångarna med FACET, där forskare visade att en teknik som kallas plasma wakefield -acceleration kan öka elektronernas energi och deras antimateriepartiklar, positroner. I denna metod, forskare skickar ett gäng högenergipartiklar genom en het joniserad gas, eller plasma, skapa en plasmaklocka för ett efterföljande gäng att "surfa" på, ökar till extremt höga energier på kort avstånd.

I konventionella acceleratorer, partiklar drar energi från ett radiofrekvensfält inuti metallstrukturer. Eftersom dessa strukturer bara kan stödja en begränsad energivinst per distans innan de bryts ner, acceleratorer måste vara extremt långa för att nå högre energier och är dyra att bygga. Plasma -wakefield -metoden har potential att dramatiskt krympa storleken och kostnaden för partikelacceleratorer. Framtida plasmacceleratorer kan, till exempel, utveckla samma accelerationseffekt som SLAC:s 2 mil långa kopparlinjära accelerator (linac) på bara några meter.

Nästa generation

Under två år, besättningar på SLAC installerade en toppmodern elektronkälla med hög ljusstyrka och nya elektronbuntkompressorsystem för att producera intensiva strålar. De uppgraderade också anläggningens styrsystem och installerade verktyg för att analysera strålegenskaperna.

FACET-II kommer att producera strålar av mycket energiska elektroner som sin föregångare, men med ännu bättre kvalitet. Den nya anläggningen använder en tredjedel av SLAC linac-som skickar elektroner från källan i ena änden till experimentområdet i den andra änden-för att generera en elektronstråle med en energi på 10 miljarder elektronvolt. Dess design gör det också möjligt för forskare att lägga till förmågan att producera och accelerera positroner, vilket skulle möjliggöra för forskare att få mer insikt i plasma-wakefieldacceleration och informera utvecklingen av plasmabaserade elektronpositronpartikelkolliderare som skulle förbättra vår förståelse av naturens grundläggande partiklar och krafter.

"Om vi ​​ska använda plasma-wakefield-acceleration för att göra en elektron-positron-kolliderare för hög energifysik, vi måste först förstå hur vi kan accelerera positroner i plasma, "Säger Hogan." SLAC är det enda laboratoriet med den infrastruktur som behövs för att tillhandahålla positronstrålar för denna forskning. Vi hoppas kunna erbjuda denna möjlighet online under de närmaste åren, som kommer att skilja FACET-II från alla andra anläggningar i världen. "

Anläggningen kommer också att hjälpa forskare att designa en ny generation ljuskällor, såsom ljusare än någonsin röntgenstrålare, och leda till förbättringar av befintliga röntgenlasrar, såsom LCLS. Dessa kraftfulla upptäcktsmaskiner ger forskare en oöverträffad syn på den ständigt föränderliga atomvärlden och öppnar nya vägar som sträcker sig från högenergifysik till medicin och ger potentiella fördelar för forskning inom material, biologisk och energivetenskap.

"Att slå på FACET-II är som att öppna en dörr som ingen någonsin tittat bakom, säger projektchef Vitaly Yakimenko, FACET -avdelningsdirektör och biträdande direktör för vetenskap i SLAC:s Accelerator Division. "Det kommer att producera elektronstrålar hundra gånger mer intensiva än någonting som föregick och skapa helt nya vetenskapliga möjligheter."

Driva innovation

Som en DOE -användaranläggning, FACET-II kommer att fungera ungefär sex månader om året, leverera stråle till cirka 25 experiment och värd cirka 250 forskare från universitet, industrin och andra nationella laboratorier.

Under de kommande månaderna, FACET-II-programmets rådgivande kommitté kommer att kontrollera beredskapen för inledande experiment som valdes för stråltid och granska en andra omgång av förslag för att gå in i kön för kommande vetenskap. Fram till januari, team kommer att arbeta med att få alla bitar av FACET-II online och få strålen till rätt energi och kvalitet. När team installerar ny experimentell hårdvara, användarna kommer att arbeta parallellt för att se till att allt fungerar som det ska och att de får rätt signaler.

I de första experimenten, förväntas starta i februari, forskare kommer att undersöka sätt att bevara strålkvaliteten, förbättra plasma wakefield -accelerationstekniker och generera och accelerera positroner. De kommer också att utveckla Trojan Horse-II, en uppdatering av en befintlig teknik som kan producera en intensiv elektronstråle genom att "smyga" elektroner in i plasma.

FACET-II kan också potentiellt ge insikt i ny och oväntad fysik som gammastrålning, den mest energiska formen av elektromagnetisk strålning, och starkfältskvantelektrodynamik (QED), båda spelar en viktig roll vid extrema astrofysiska fenomen som kosmiska strålar och exploderande stjärnor.

Andra vetenskapliga mål inkluderar kompakta wakefield -acceleratorer som använder vissa elektriska isolatorer istället för plasma, såväl som maskininlärningstekniker som noggrant mäter och simulerar fysiken hos dessa kraftfulla elektronstrålar för att hjälpa forskare att förstå och kontrollera de ultrakorta grupperna, öka användarprogrammens effektivitet och vetenskapliga produktivitet.

"Vårt laboratorium byggde på acceleratorteknik och fortsätter att driva innovationer inom området, "säger Bruce Dunham, chef för SLAC:s acceleratordirektorat. "FACET-II är en banbrytande anläggning som hjälper oss att hålla oss i framkant inom acceleratorvetenskap."