Tjugofem fot under marken öppnar SLAC National Accelerator Laboratory-forskaren Spencer Gessner en stor picknickkorg i metall. Det här är inte din typiska picknickkorg fylld med ost, bröd och frukt – den innehåller skruvar, bultar, stålrör och många andra delar och bitar som bär partiklar till nästan ljusets hastighet. Komponenterna är arrangerade exakt för att göra ett viktigt jobb:hjälpa till att mata in mängder av snabbt rörliga elektroner i det som solen är gjord av:plasma.
"Vi försöker bygga nästa generation av små, kraftfulla partikelacceleratorer här nere", säger Gessner. "Målet är att driva partiklar till högre energi på kortare avstånd. Detta kan hjälpa till att designa kompakta acceleratorer som passar inuti ett universitetslabb eller sjukhus – eller vara ett alternativ för en högenergipartikelkolliderare i framtiden."
Gessner och många andra forskare vid SLAC och runt om i världen vill göra framtida acceleratorer 100 till 1 000 gånger mindre än traditionella acceleratorer. Målet är inte nödvändigtvis att ersätta de mest kraftfulla acceleratoranläggningarna i världen, utan snarare tillhandahålla ett nytt alternativ för människor och platser som letar efter tillgång till acceleratorvetenskap, och potentiellt förbättra befintliga toppmoderna acceleratorer. Till exempel kan mindre, mindre kraftfulla röntgenfrielektronlasrar (XFEL) vara ett avancerat vetenskapligt verktyg för att utforska materia på atomär skala i händerna på många fler forskare.
Gessner arbetar på SLAC:s Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests II (FACET-II), som främst är inriktad på en teknik som kallas plasma wakefield acceleration. I plasma wakefield-acceleration skickar forskare strålar av partiklar genom plasma - en extremt het joniserad gas som ofta är gjord av helium- eller vätejoner, som solen.
"När strålen går genom plasman skapas ett kölvatten - liknande det som skapas bakom en båt som rusar genom vatten på en sjö," sa Gessner. "Vi kan sedan injicera elektroner i plasmavågen och dessa partiklar rider på vågen och når högre energier över kortare avstånd."
FACET-II använder en del av SLAC:s två mil långa linjäraccelerator för att generera dessa elektronstrålar. På sin topp är strålarna så intensiva att inget material tål dem. Strålens extrema fält skulle slita bort elektroner från atomer och omedelbart förånga allt material i strålens väg. Lösningen är att börja med ett plasma i första hand, som tar bort begränsningarna för konventionella material och tillåter mycket hög acceleration.
Men att pressa partiklar till extremt höga energier på kortare avstånd ger många utmanande problem. Forskare fortsätter att göra framsteg mot att lösa dessa problem och förvandla det som kan låta som science fiction till verklighet.
Experimentellt arbete med plasmavågfältsacceleration startade vid SLAC för ungefär tjugo år sedan, även om det allmänna konceptet hade talats om i tidningar sedan slutet av 1970-talet och början av 1980-talet. Det finns tre huvudtyper av plasmavågfältsforskning som pågår runt om i världen, grupperade efter kraftkällan som skapar kölvattnet:antingen en elektronstråle, en högeffektlaserstråle eller en protonstråle.
En av de första frågorna som forskarna fick svara på var om det ens var möjligt att göra den teoretiska idén om plasmavågfält till verklighet i labbet, sa FACET-II-chefen Mark Hogan. Forskare kunde utföra denna uppgift vid SLAC i slutet av 1990-talet och var de första som bröt GeV-barriären, vilket är den energinivå som vanligtvis bara förknippas med mycket storskaliga installationer. De tog en handfull elektroner och accelererade dem med mycket höga energier med hjälp av plasmavågfält.
Hogan sa att forskare då konfronterades med nästa stora fråga:hur man går från en handfull partiklar med ett brett energiområde till en partikelstråle med relativt låg energispridning. Det innebär att se till att elektroner inte sprids runt överallt i en accelerator, utan istället reser tillsammans i en tät packning. Forskare utförde denna uppgift på 2010-talet vid FACET, anläggningen som föregick FACET-II, sa Hogan.
"Så nu är frågan för FACET-II kan du göra alla dessa saker på en gång - utnyttja de stora fälten för att göra högenergistrålarna med låg energispridning - och även göra en högkvalitativ stråle över längre avstånd," sa Hogan . "Detta är en nyckelfråga som vi undersöker just nu på FACET-II:Kan vi bevara kvaliteten på elektronstrålar när vi ökar deras energi mycket snabbt över meningsfulla avstånd?"
Om man ser ännu längre fram kommer forskare att behöva ta reda på hur man sätter ihop många plasmaacceleratorsektioner för att uppnå otroligt höga energier som behövs för framtidens kolliderarpartikelfysik. "Medan för att bygga en XFEL som förlitar sig på plasmavågfältsacceleration kanske du bara behöver ett plasmasteg, för att nå energi på partikelkollidernivå behöver du många steg," sa Hogan.
Tidigare i år tog ett team från SLAC, University of Strathclyde och andra institutioner ett stort kliv framåt i forskning om plasma wakefield acceleration. De utvecklade en datorsimulering som visade hur en plasmaaccelerator kan generera exakta, högkvalitativa elektronstrålar genom att kontrollera en stråles ljusstyrka.
Att hantera strålens ljusstyrka är utmanande eftersom det finns tre nyckelparametervärden som ändras avsevärt över den väg som partiklarna färdas på. Teamets modell visade hur man optimerar dessa parametrar redan från början av experimentet, när strålen fortfarande är i plasman.
Specifikt beräknade forskargruppen hur man hanterar elektronens ljusstyrka genom att kontrollera strålströmmen, vilket beskriver hur många elektroner som utgör strålen; emittans, vilket är hur elektronerna sprider sig när de fortplantar sig genom rymden; och energispridning, som beskriver intervallet för elektronernas hastigheter. De publicerade sina resultat i Nature Communications .
"Med den här modellen kan vi testa hur vi kan förbättra elektronstråleemittans och ljusstyrka i vår kompakta design, kanske i storleksordningar", säger Hogan, en medförfattare på tidningen. "Att extrahera elektronstrålar från plasmaacceleratorer samtidigt som deras kvalitet bevaras är avgörande för vårt högenergifysikuppdrag såväl som för röntgenvetenskap."
I framtiden kommer forskare att försöka bygga hybridkonfigurationer av en kompakt XFEL - en version som kan möjliggöra interaktion mellan flera röntgenlaserpulser och ultraljusa strålar. FACET-II kan vara platsen för att testa dessa hybrididéer, nu när simuleringsramverket från början till slut är etablerat, sa forskarna.
Ytterligare ett steg framåt i forskningen om plasma-wakefield-acceleration kom nyligen när forskare visade hur man sätter ihop plasmaacceleratorsteg för att göra en längre, kraftfullare accelerator. Denna typ av accelerator kan användas i framtiden för att skapa strålar med extremt hög energi vid en partikelkolliderare.
Forskargruppen, som inkluderade SLAC-forskaren Alexander Knetsch och forskare från Polytechnic Institute of Paris och andra intuitioner, visade hur man använder flera drivstrålar för att bibehålla strålkvaliteten och öka energin.
I deras metod leder en drivstråle vägen genom plasman och skapar ett wake - standardidén inom plasma wakefield acceleration. Bakom denna drivstråle följer den primära elektronstrålen, kallad den efterföljande strålen, som kommer att drivas till höga energier för experiment - återigen, standardmetoden. Men med tiden tappar drivstrålen energi - som att en ledande cyklist tappar energi efter att ha kämpat mot vinden om åkarna bakom. Forskargruppen visade därför hur man sub ut den gamla, trötta drivbalken med en ny, fräsch drivbalk. Denna teknik hjälper den efterföljande elektronstrålen att fortsätta att få energi.
Att byta ut den gamla drivbalken mot en ny är dock svårare än att byta ut en ledande cyklist i ett cykellopp. Den gamla drivstrålen rör sig fortfarande med nästan ljusets hastighet, så för att göra växlingen använder metoden dipolmagneter som bildar en chicane - det vill säga två vägar, den ena längre än den andra, som möts efter separering. Chikaner låter drivbalken röra sig ur vägen medan bakbalken fortsätter med en ny drivbalk.
Dessutom visade forskare hur man transporterar det strålpaketet genom varje plasmasteg med hjälp av fokuseringslinser som hjälper den bakre strålen att hålla sig på vägen medan byten av drivstrålen äger rum. Forskarna publicerade en artikel som beskrev idén i september i Physical Review Letters .
Tillsammans med plasma wakefield acceleration har forskare andra idéer om sätt att accelerera partiklar på kortare avstånd. En av dessa idéer kommer att byggas vid Arizona State University (ASU) med SLAC:s Emilio Nanni och andra som samarbetar. Designen använder lasrar – snarare än bara magneter – för att vicka elektroner inuti en XFEL för att producera kraftfulla röntgenstrålar som behövs för experiment.
I traditionella XFEL:er vickar starka magneter en partikelstråle för att generera röntgenstrålar. Raden av magneter kan vara lång, vilket betyder att den totala FEL-längden blir lång. Men vad händer om en FEL inte behövde en hel rad magneter för att få partiklar att dansa och avge röntgenstrålning? Det här är frågan som bidrog till designen av den kompakta XFEL, som använder en laserstråle för att träffa partikelstrålen, vilket hjälper strålen att vicka och producera kraftfulla röntgenstrålar. Lasrarna gör att färre vickmagneter kan behövas, vilket resulterar i en kortare FEL totalt sett om idén går i praktiken.
Den kompakta XFEL kommer att byggas inom de kommande fem åren på ASU Tempe campus. Att bygga små, mer kompakta acceleratorer är en bra sak för vetenskapen, sa forskare. Att göra det innebär att fler människor och platser kan komma åt partikelacceleratorer, som har varit ett av de viktigaste verktygen inom vetenskapen under de senaste 100 åren.
Tillbaka inne i gastunneln stänger Spencer Gessner locket på picknickkorgen och går mot ett långbord. Här står SLAC-forskaren Doug Storey och arbetar på en bärbar dator och granskar strålprestandadata. Tabellen kallas stråldumpningstabellen och det är det primära diagnostiska området efter plasma för att mäta vad som har hänt med elektronstrålen efter plasmavågfältsacceleration, sa Storey.
"Det här bordet är där gummit möter vägen, så att säga," sa han. "Den har ett antal diagnostiska kameror, som mäter de nyckelparametrar som behövs för framgångsrik demonstration av plasma-wakefield-acceleration."
Kamerorna på bordet ser ut som stoppskyltar i en korsning. De är monterade på stavar och vänder åt olika håll, var och en samlar in olika typer av data om den accelererade strålens energi till inom en liten bråkdel av en procent och strålens fläckstorlek till mindre än några mikrometer, vilket är nyckelindikatorer för strålens ljusstyrka , sa Storey. Dessutom ser några av kamerorna röntgen- och gammastrålning som produceras när strålen färdas genom plasma. Denna information hjälper forskare att förstå hur man kan förbättra kvaliteten på plasmaaccelerationen, sa Storey.
Storey tittar tillbaka på sin bärbara dator och börjar arbeta igen. Gessner går förbi honom, tillbaka mot början av anläggningen. Han leder vägen ut ur gaspedalen, där nästa generation av mindre, kraftfulla acceleratorer bakar.
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , Nature Communications
Tillhandahålls av SLAC National Accelerator Laboratory
