Il nuovo acceleratore di particelle è guidato da raggi laser curvi – Physics World

Un acceleratore di campo di scia laser (LWFA) che guida i suoi raggi laser lungo canali curvi mentre accelera gli elettroni è stato creato da Ji Zhang e colleghi della Shanghai Jiao Tong University in Cina. La nuova tecnica potrebbe essere un passo fondamentale verso lo sviluppo di alternative compatte ed economiche agli acceleratori di particelle convenzionali.

In un LWFA, un plasma denso viene creato concentrando un intenso impulso laser in un gas. Mentre si muove attraverso il gas, l’impulso crea una regione di campi elettrici alternati – un “campo di scia” – che ricorda un’onda d’acqua che si forma sulla scia di una barca in movimento.

Cavalcando queste onde, gli elettroni all'interno del plasma possono essere accelerati a energie molto elevate su distanze molto brevi. Di conseguenza, questa tecnica è molto promettente per lo sviluppo di acceleratori molto più piccoli dei sistemi convenzionali. Tali dispositivi compatti sarebbero molto utili per applicazioni mediche e di ricerca.

Problemi di reiniezione

Affinché gli elettroni raggiungano velocità relativistiche, l'accelerazione deve avvenire più volte, con elettroni da uno stadio LWFA iniettati nel successivo. Questo non è facile, come membro del team min Chen spiega, “poiché la scia ha dimensioni di decine di micron e la sua velocità è molto vicina a quella della luce, la reiniezione degli elettroni è estremamente difficile”. Mentre alcuni studi recenti hanno ottenuto la reiniezione utilizzando tecniche come le lenti al plasma, i ricercatori sono riusciti a iniettare solo una piccola frazione di elettroni in un secondo stadio.

Nel 2018 il team di Zhang e Chen ha introdotto un nuovo approccio, come descrive Chen: “Nel nostro schema, gli elettroni viaggiano sempre all'interno di un canale rettilineo del plasma, dove possono essere focalizzati dal campo di scia del laser. Il secondo laser fresco viene quindi guidato da un canale al plasma curvo e confluito nel canale diritto, proprio come una rampa autostradale”.

Consentendo agli elettroni di viaggiare lungo uno stadio ininterrotto, invece di iniettarli all'inizio di ogni nuovo stadio, questo approccio consentirebbe ai ricercatori di trattenere molte più particelle durante l'accelerazione.

Plasma oscillante

All'inizio, l'obiettivo della squadra poteva sembrare troppo ambizioso. Se un raggio fosse anche leggermente fuori centro mentre si fondeva con il canale rettilineo, potrebbe causare l'oscillazione del campo di scia del plasma, allontanando gli elettroni dai loro percorsi rettilinei e diminuendo la loro accelerazione.

Il team di Zhang ha affrontato questa sfida variando la curvatura del canale, che ha creato variazioni nella densità del plasma al suo interno. Con la giusta curvatura, i ricercatori hanno scoperto che potevano impedire l'oscillazione del posizionamento del raggio laser, in modo che quando gli elettroni venivano iniettati nella parte diritta del canale, il campo di scia risultante era sufficientemente stabile da accelerare le particelle a velocità più elevate.

Il nuovo acceleratore di elettroni combina tecniche di wakefield laser e plasma

Attraverso i loro ultimi esperimenti, i ricercatori hanno scoperto un ulteriore vantaggio del loro approccio. "Abbiamo scoperto che in alcuni casi, non solo il laser può essere guidato, ma può anche generare un wakefield all'interno del canale curvo e accelerare gli elettroni", spiega Chen. “Di solito questi sono stati trovati solo in un canale plasmatico dritto. Significa che sia il laser che gli elettroni ad alta energia possono essere guidati in tale canale di plasma curvo.

Il team ritiene che i suoi primi risultati siano una pietra miliare importante. "Il nostro esperimento mostra come gli elettroni relativistici possono essere guidati stabilmente da un canale di plasma curvo, che è il passaggio critico del nostro schema di accelerazione del campo di accelerazione a stadi", afferma Chen. "In futuro, tali canali potrebbero essere utilizzati per l'accelerazione del wakefield e la guida degli elettroni".

Se riescono a dimostrare un numero maggiore di stadi di accelerazione utilizzando più canali curvi, il team di Zhang spera che le energie dei teraelettronvolt possano un giorno essere alla portata degli LWFA a solo una frazione delle dimensioni e del costo dei moderni acceleratori di particelle. “Per il momento, possiamo dire che il nostro studio risolve un passaggio critico per l’accelerazione graduale del campo di scia del laser e mostra il potenziale per una sorgente di radiazione di sincrotrone compatta”, afferma Chen.

La ricerca è descritta in Physical Review Letters.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/new-particle-accelerator-is-driven-by-curved-laser-beams/