Forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har genomfört en stor utbyggnad av ett av världens mest kraftfulla lasersystem, vilket skapar nya möjligheter inom acceleratorforskning för framtiden för högenergifysik och andra områden. Expansionen skapade en andra strållinje för petawattlasern vid Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center, vilket möjliggör utvecklingen av nästa generations partikelacceleratorer för tillämpningar inom vetenskap, medicin, säkerhet och industri. Den andra strållinjen kom online i somras och är kulmen på flera år av planering, design och ingenjörskonst av BELLA och ingenjörsteamen.

"Vi är glada över att se konstruktionen slutförd och är mycket ivriga att börja det stora utbudet av spännande experiment som möjliggörs av den andra strållinjen", säger Eric Esarey, chef för BELLA Center.

Använda ljus för att flytta partiklar

Traditionella acceleratorer använder radiofrekventa elektromagnetiska fält för att gradvis påskynda partiklar över avstånd på tiotals kilometer och tenderar att bli enorma och mycket dyra som ett resultat. Till exempel accelererar Large Hadron Collider vid CERN, den berömda internationella partikelacceleratorn, partiklar längs en cirkulär bana som är över 16 miles lång, en monumental prestation som kostar miljarder dollar att bygga och driva.

Vid BELLA Center accelererar forskare laddade partiklar med elektriska fält som genereras av en kraftfull laser som interagerar med ett plasma, vilket skapar vad som kallas en laserplasmaaccelerator (LPA). Teamet använder en en-petawatts laser som producerar en stråle av mycket korta pulser eller "kulor" av ljus, en per sekund, som var och en är ungefär hundra gånger kraftfullare än en typisk blixt. När laserstrålen passerar genom plasma (en gasliknande soppa av laddade partiklar), sätter den upp en rörlig våg, och en laddad partikel som placeras i den vågen drivs sedan framåt, som en surfare på en havsvåg. Denna "wakefield"-metod kan producera accelerationshastigheter upp till tusen gånger högre än konventionella acceleratorer, vilket gör LPA till en lovande kandidat för nästa generation av mindre, billigare acceleratorer.

Ett kraftfullt verktyg för utveckling av acceleratorteknik

Den andra strållinjen designades för att vara mycket avstämbar, kunna producera ett brett spektrum av laserpunktsstorlekar, med pulslängder och pulsenergier som kan varieras oberoende av varandra. De två strållinjerna är avsedda att användas i tandem, vilket gör systemet till ett kraftfullt och mångsidigt verktyg för utveckling av vetenskap och acceleratorteknologi. För att skapa den nya strållinjen delade teamet av en del av huvudlaserstrålen och körde den genom en serie optik för att generera en andra stråle av korta, kraftfulla ljuspulser som kan skapa ett andra wakefield.

Speciellt designades systemet för att möjliggöra teamets vision att iscensätta flera LPA-moduler för att nå de höga elektronstråleenergier som behövs för partikelkolliderare, genom att använda wakefield från den andra strållinjen för att ytterligare accelerera partiklar som kommer från den första. Inledande experiment för att uppnå detta mål pågår för närvarande. I sin långsiktiga vision föreslår teamet att stapla ytterligare laserdrivna moduler för att skapa acceleratorer med extremt höga energier, vilket möjliggör nästa generations fysikupptäckter till en bråkdel av kostnaden och storleken.

Som ett exempel kan metoder för att förbättra energieffektiviteten hos LPA:er också utforskas med de dubbla strållinjerna. Den andra strållinjelaserpulsen kan konfigureras för att absorbera eventuell överbliven energi i den första strållinjeplasman som inte används av accelerationsprocessen och sedan skickas till ett energiåtervinningssystem. Marlene Turner, en vetenskapsman vid BELLA Center, fick ett prestigefyllt pris för tidig karriär från DOE för att arbeta med detta koncept. "Utan den andra strållinjen skulle min forskning, som syftar till att minska strömförbrukningen och miljöpåverkan från framtida plasmakolliderare, inte vara möjlig", sa Turner.

De dubbla strållinjerna kan också användas i andra konfigurationer. Till exempel kan den andra strållinjen användas för att accelerera partiklar för att sprida bort dem från den första strållinjen, vilket gör det möjligt för fysiker att undersöka den exotiska fysiken som uppstår.

"Precisionen som dessa två laserstrålar ger, som kombinerar femtosekunders timing och mikronskalig rumslig noggrannhet, är oöverträffad vid toppeffektnivåer i petawatt-klass, och kommer att möjliggöra experiment på LPA-inställning såväl som andra framsteg inom plasmaacceleration som laserskräddarsydda plasmaaccelererande strukturer, laserbaserade metoder för partikelinjektion, högenergifotonproduktion genom laserspridning och grundläggande studier inom högfältskvantumelektrodynamik, säger Tony Gonsalves, ledande forskare på BELLAs petawatt-team. "Det är en stor sak."

Kraften i teamvetenskap

Berkeley Lab är känt som ett kraftpaket inom teamvetenskap, och detta nya BELLA-projekt exemplifierade denna etos. När som helst omfattar kärnteamet som arbetar med detta projekt tio till femton maskiningenjörer, elektroingenjörer och forskare, såväl som en roterande grupp av andra nyckelspelare, inklusive radiologiska säkerhetsspecialister och seismiska ingenjörer. Detta har säkerställt att uppgraderingen med två laserstrålar inte bara skapar den senaste vetenskapen, utan utförs på ett säkert, välkonstruerat och hållbart sätt som kommer att möjliggöra fortsatt produktivitet i många år framöver.

Teamet stötte på sin beskärda del av utmaningarna på grund av covid-19-pandemin, som tillfälligt stängde deras anläggning. Efter att det öppnade igen fick teamet arbeta i skift, med hjälp av ett biljettsystem för att upprätthålla säker täthet av arbetare. Bara att ta in ett team av franska ingenjörer för att installera en kompressorkammare tog större delen av ett år på grund av pandemirelaterade restriktioner.

"Det har varit en lång väg att få igång det här, och en mycket längre väg på grund av covid," sa Gonsalves. "Om du skulle räkna hur många människor som har rört det här projektet skulle det vara ett väldigt stort antal. Vi har turen att ha denna imponerande infrastruktur av människor på labbet för att göra ett sådant här projekt möjligt."

Exotisk fysik och vardagliga tillämpningar

Partikelkolliderare är upptäcktsverktyg som forskare använder för att undersöka materiens struktur genom att krossa partiklar tillsammans med tillräckligt med energi för att bryta isär dem, vilket hjälper oss att förstå vad universum är gjort av och krafterna som håller ihop det. Det slutliga målet med den nya strållinjen är att utveckla en ny acceleratorteknik som gör det möjligt för kolliderare att nå högre energier. Dessa frågor går långt utöver att undersöka synlig materia, som faktiskt utgör en liten del av universum. Det finns fem gånger mer osynlig mörk materia i universum än synlig materia, och högre energiacceleratorer kanske kan producera tunga mörk materia partiklar så att deras egenskaper kan studeras.

Det nationella säkerhetsområdet uppmärksammar också denna utveckling inom ny acceleratorteknik. Nuvarande teknik för att screena för kärnmaterial i hamnar, för kärnkraftsavtal och andra tillämpningar, är begränsad i precision. Laserbaserad acceleratorteknik skulle dock kunna användas för att producera de avstämbara gammastrålar eller högenergimyoner som behövs för att exakt detektera kärnföreningar eller andra material, och tekniken skulle kunna passa in i en liten, bärbar enhet.

Grundläggande studier i materialvetenskap skulle också ha stor nytta av utvecklingen av kompakta källor för ljus med kort våglängd, såsom röntgenstrålar, drivna av LPA. Eftersom LPA i sig producerar korta elektronknippen, i storleksordningen femtosekunder, är de idealiska för att undersöka material på ultrasnabba tidsskalor.

En annan spännande tillämpning av laseracceleration är i cancerstrålterapi, där det medicinska samfundet finner att kortare doser av starkare strålning gör mindre skada på friska vävnader, känd som "blixteffekten". Dessa lasersystem kan revolutionera strålbehandling.

"Jag är mycket glad över att se det stora utbudet av vetenskap och tillämpningar som möjliggörs av BELLAs andra strållinje. Dessa är tvärgående och kan påverka ett antal program i Office of Science, Department of Defense, National Institutes of Hälsa, såväl som inom industrin, säger Cameron Geddes, chef för Accelerator Technology and Applied Physics Division på Berkeley Lab. + Utforska vidare

Världsrekordacceleration:noll till 7,8 miljarder elektronvolt i 8 tum