Laser R & D konzentriert sich auf Partikel-Collider der nächsten Generation

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Anonim

Eine Reihe von neuen Lasersystemen und vorgeschlagenen Verbesserungen am Lawrence Berkeley National Laboratory des Department of Energy (DOE) (Berkeley Lab) werden langfristige Pläne für einen kompakteren und erschwinglicheren Teilchenbeschleuniger mit ultrahohen Energien vorantreiben.

Fortschritte bei diesen Lasersystemen und lasergetriebenen Beschleunigern könnten ebenfalls viele Spinoffs liefern, wie etwa ein neues Werkzeug zur Suche nach radioaktiven Materialien und ein miniaturisiertes und in hohem Maße abstimmbares Freie-Elektronen-Lasersystem, das eine Reihe von wissenschaftlichen Experimenten ermöglicht.

Diese Bemühungen werden in einem vom DOE gesponserten Workshopbericht skizziert, der sich auf eine Reihe von 10-jährigen Straßenkarten konzentriert, die entwickelt wurden, um die Forschung und Entwicklung eines Teilchenbeschleunigers der nächsten Generation für die Hochenergiephysik anzukurbeln. Das ultimative Ziel ist eine Maschine, die in der Lage ist, die Physik außerhalb des CERN Large Hadron Collider (LHC) zu erforschen. Der LHC, der leistungsstärkste Collider von heute, ermöglichte die Entdeckung des Higgs-Bosons, das 2013 den Nobelpreis für Physik erhielt.

Der LHC, mit einem Hauptring von 17 Meilen Umfang, kollidiert Protonen - subatomare Teilchen, die aus dem Zentrum von Atomen freigesetzt werden - bei Kollisionsenergien von bis zu 13 Billionen Elektronenvolt (13 TeV).

Unterdessen würden Vorschläge für Linear-Collider der nächsten Generation Elektronen und ihre Antiteilchen, Positronen, bei niedrigeren Energien kollidieren - von einigen hundert Milliarden Elektronenvolt (GeV) bis zu einigen TeV. Und während die Kollisionsenergien dieser Maschinen niedriger wären als die des LHC, würde die Physik ihrer Elektron-Positron-Kollisionen komplementär sein, was spezifischere detaillierte Messungen für einige Teilcheneigenschaften und -phänomene ermöglichen würde.

Der Aufbau eines TeV-Level-Elektron-Positron-Colliders mit der heutigen Beschleunigertechnologie ist möglich, wäre aber aufgrund seiner großen Größe teuer (sein Footprint würde wahrscheinlich mehr als 20 Meilen messen).

Im Bemühen, den Umfang und die damit verbundenen Kosten eines Colliders der nächsten Generation zu reduzieren, brachte das Büro für Hochenergiephysik im DOE Office of Science mehr als zwei Dutzend Experten aus DOE und dem ganzen Land zusammen, um einen Advanced Accelerator Development Strategy Report zu erstellen setzt Ziele für drei potenziell bahnbrechende Beschleunigertechnologien in den nächsten 10 Jahren.

Neben anderen Empfehlungen unterstreicht der Bericht die Notwendigkeit von Forschung und Entwicklung bei BELLA, dem Berkeley Lab Laser Accelerator, der auf einer dieser drei Technologien basiert: einem lasergesteuerten Plasma-Wakefield-Beschleuniger (LWFA). Diese Form der Beschleunigung verwendet einen Laser oder Laser, um Elektronen zu hohen Energien zu beschleunigen.

Zwei andere Wakefield-Beschleunigungskonzepte, die an anderer Stelle entwickelt wurden - eine für einen Teilchenstrahl-angetriebenen Beschleuniger, die andere für einen dielektrischen Wakefeld-Beschleuniger -, sind ebenfalls in der Straßenkarte enthalten.

Andere Beschleunigungstechniken sind in Entwicklung, die nicht in den Anwendungsbereich des Berichts fallen, einschließlich einer Forschungs- und Entwicklungsarbeit am CERN namens AWAKE, die die protonengesteuerte Plasma-Wakefeld-Beschleunigung untersucht.

Die im Bericht bestätigten neuen Ansätze zur Teilchenbeschleunigung bieten Möglichkeiten, hochenergetische Teilchenbeschleuniger zu schrumpfen, indem sie kompakte, dichte Plasmastrahlen erzeugen, die sich in heißen, hoch geladenen Gasen bilden und wie ein Surfer schnell Bündel genau platzierter Elektronen beschleunigen auf einer Meereswelle.

BELLA-Forscher haben bereits ein modulares LWFA-Setup zum Erreichen hoher Energien demonstriert und arbeiten nun daran, dies zu verbessern. Das in dem Bericht umrissene kurzfristige Ziel besteht darin, Elektronenstrahlenergien von 10 GeV zu erreichen, was dem aktuellen Weltrekord von BELLA von 4, 3 GeV entspricht.

"Sobald wir 10 GeV-Strahlen haben, werden wir eine ganze Reihe neuer Dinge eröffnen. Das wird ein großer Schritt vorwärts sein", sagte Wim Leemans, Leiter der Accelerator Technology & Applied Physics Division des Labors. Das 10 GeV-Ziel ist signifikant, da es eine Energieschwelle zum Erzeugen von Positronenstrahlen mit hoher Ladung darstellt, die für einen Collider der nächsten Generation erforderlich wären.

Die LWFA-Roadmap, sagte Leemans, "gibt uns einen Anker im gesamten Beschleunigerprogramm", das für den nationalen Laboratoriumskomplex des DOE entworfen wurde.

Das BELLA-Team wird zwei verschiedene Ansätze verfolgen, um dieses 10-GeV-Ziel zu erreichen: Ein Einzel-Beschleuniger-Stufen-Setup unter Verwendung eines einzelnen Lasers und ein Zwei-Stufen-Verfahren mit zwei getrennten Lasern.

Die erste Stufe wird die Elektronenstrahlenergie auf 5 GeV erhöhen, und die zweite Stufe wird den Strahl um weitere 5 GeV auf 10 GeV beschleunigen. Die zweite BELLA-Beamline für das Zweistrahl-Setup könnte bis Ende 2018 erstellt werden, wie im Roadmap-Bericht dargelegt, sofern die Finanzierung verfügbar ist.

Der Bericht stellt fest, dass neben den Fortschritten in der Beschleunigertechnologie auch neue Entwicklungen in der Lasertechnologie und unterstützende Geräte wie Spiegel erforderlich sind, um diesen neuen Kolliartyp zu realisieren.

BELLA verwendet jetzt mit Titan dotierte Saphirkristalle, um sein Laserlicht zu erzeugen. Um weit höhere Energien und mittlere Strahlleistungen zu erreichen, empfiehlt der DOE-Bericht neben anderen Ansätzen die Verfolgung anderer Arten von Lasern, z. B. von Lichtleitfaser-, Festkörper- oder Kohlendioxidlasern.

Eine wichtige technologische Herausforderung für BELLA besteht darin, seine Impulse schneller zu machen und von einer aktuellen Rate von etwa 1 Puls pro Sekunde auf eine Rate von etwa 1.000 pro Sekunde oder 1 Kilohertz zu erhöhen (in einer zukünftigen Entwicklung namens "K-BELLA").).

Letztlich wäre eine Pulsrate von 10.000 oder 100.000 pro Sekunde ideal für einen Collider der nächsten Generation, sagte Carl Schroeder, Senior Scientist bei Berkeley Lab, der theoretische und Modellierungsbemühungen für BELLA-Experimente leitet und an konzeptionellen Entwürfen und Modellen dafür gearbeitet hat LWFA-Collider.

Wenn die F & E-Bemühungen erfolgreich sind, sollte die maximale Energie von BELLA ausreichen, um den Meilenstein der 10-GeV-Beschleunigung zu erreichen, sagte Anthony Gonsalves, ein Mitarbeiter des Berkeley Lab, der an BELLA arbeitet. "Im, Tank 'haben wir viel Platz - es gibt viel Energie, die wir noch nicht einmal erforscht haben."

Neben der Entwicklung von Einstrahl- und Zweistrahlverfahren für ein 10 GeV LWFA-Projekt soll die Entwicklung eines neuen, kompakten Typs von Freie-Elektronen-Laser (FEL) und einer separaten tragbaren Gammastrahlenquelle im nächsten Jahr beginnen. können die ersten wichtigen Anwendungen der LWFA-Technologie sein, wenn sich die Bemühungen als erfolgreich erweisen.

FELs sind hoch abstimmbare Lichtquellen, die dazu beitragen können, Materie mit ultrahellen Impulsen, die in Femtosekunden oder Billiardstel Sekunden gemessen werden, bis auf atomare und molekulare Skalen zu untersuchen. Das FEL-Projekt zielt darauf ab, Röntgen-FELs zu miniaturisieren, indem eine kilometerlange herkömmliche Beschleunigungsstruktur durch einen weniger als 10 Meter langen Wakefield-Beschleuniger ersetzt wird.

Die plasmabasierte Gammastrahlenquelle könnte sich indes als nützliches und tragbares Werkzeug zum Nachweis von Kernmaterial erweisen.

Schröder sagte: "Die FEL- und Gammastrahlenquelle sind als frühe Anwendungen dieser Technologie anerkannt. Die Lasersysteme für diese Experimente werden in diesem Winter in Betrieb genommen.

"Die Roadmap enthält ein reichhaltiges Programm für das nächste Jahrzehnt", fügte Leemans hinzu. "Schlüsselkonzepte werden für zukünftige plasmabasierte Beschleuniger entwickelt, und BELLA wird mit Upgrades die Prüfung und Entwicklung vieler dieser Konzepte ermöglichen."

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