Un conjunto de nuevos sistemas láser y las actualizaciones propuestas en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía (DOE) impulsarán planes a largo plazo para un colisionador de partículas de energía ultra alta más compacto y asequible.

El progreso en estos sistemas láser y aceleradores impulsados ​​por láser también podría proporcionar muchos efectos secundarios, como una nueva herramienta para buscar materiales radiactivos, y un sistema láser de electrones libres miniaturizado y altamente sintonizable que permite una variedad de experimentos científicos.

Estos esfuerzos se describen en un informe de un taller patrocinado por el DOE que se centra en un conjunto de mapas de ruta de 10 años diseñados para impulsar la I + D que impulsa un colisionador de partículas de próxima generación para la física de alta energía. El objetivo final es una máquina capaz de explorar la física más allá del alcance del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. El colisionador más poderoso de hoy, el LHC permitió el descubrimiento del bosón de Higgs que resultó en el Premio Nobel de Física 2013.

El LHC, con un anillo principal de 17 millas de circunferencia, colisiona protones (partículas subatómicas liberadas del centro de los átomos) a energías de colisión de hasta 13 billones de electronvoltios (13 TeV).

Mientras tanto, propuestas para colisionadores lineales de próxima generación colisionarían electrones y sus antipartículas, positrones, a energías más bajas, desde unos pocos cientos de miles de millones de electronvoltios (GeV) hasta unos pocos TeV. Y aunque las energías de colisión de estas máquinas serían más bajas que las del LHC, la física de sus colisiones electrón-positrón sería complementaria, permitiendo más específico, mediciones detalladas de algunas propiedades y fenómenos de las partículas.

Es posible construir un colisionador de positrones y electrones de nivel TeV con la tecnología de aceleración actual, pero sería costoso debido a su gran tamaño (su huella probablemente mediría más de 20 millas).

En un esfuerzo por reducir el alcance y el costo asociado de un colisionador de próxima generación, La Oficina de Física de Altas Energías dentro de la Oficina de Ciencias del DOE reunió a más de dos docenas de expertos del DOE y de todo el país para preparar un Informe de estrategia de desarrollo de aceleradores avanzados que establece metas para tres tecnologías de aceleradores que podrían cambiar las reglas del juego durante los próximos 10 años.

Entre otras recomendaciones, el informe destaca la necesidad de I + D en BELLA, el acelerador láser de Berkeley Lab, que se basa en una de esas tres tecnologías:un acelerador de campo de despertador de plasma impulsado por láser (LWFA). Esta forma de aceleración utiliza un láser o láseres para acelerar los electrones a altas energías.

Otros dos conceptos de aceleración de wakefield que se están desarrollando en otro lugar:uno para un acelerador impulsado por haz de partículas, el otro para un acelerador dieléctrico de campo de activación, también se incluyen en la hoja de ruta.

Se están desarrollando otras técnicas de aceleración que están fuera del alcance del informe, incluido un esfuerzo de I + D basado en el CERN llamado AWAKE que está explorando la aceleración de campo de wakefield de plasma impulsada por protones.

Todos los nuevos enfoques para la aceleración de partículas respaldados en el informe ofrecen formas potenciales de reducir los aceleradores de partículas de alta energía mediante la creación de compactos, densas ondas de plasmas, formadas en caliente, Gases altamente cargados, que aceleran rápidamente grupos de electrones colocados con precisión como un surfista cabalgando sobre una ola del océano.

Los investigadores de BELLA ya han demostrado una configuración modular de LWFA para alcanzar altas energías, y ahora estamos trabajando para mejorar esto. El objetivo a corto plazo descrito en el informe es lograr energías de haz de electrones de 10 GeV, por encima del récord mundial actual de BELLA de 4,3 GeV.

"Una vez que tengamos haces de 10 GeV, se abrirá una nueva serie de cosas. Será un gran paso adelante, "dijo Wim Leemans, director de la División de Física Aplicada y Tecnología Aceleradora del Laboratorio. El objetivo de 10 GeV es significativo porque representa un umbral de energía para generar haces de positrones de alta carga, que sería necesario para un colisionador de próxima generación.

La hoja de ruta de la LWFA, Leemans dijo:"nos da un ancla en todo el programa de aceleración" descrito para el complejo de laboratorios nacionales del DOE.

El equipo de BELLA seguirá dos enfoques diferentes para lograr este objetivo de 10 GeV:una configuración de una sola etapa de acelerador con un solo láser, y un enfoque de dos etapas con dos láseres separados.

La primera etapa elevará la energía del haz de electrones a 5 GeV, y la segunda etapa acelerará el rayo 5 GeV adicionales, a 10 GeV. La segunda línea de luz BELLA para la configuración de dos vigas podría construirse a fines de 2018, como se describe en el informe de la hoja de ruta, siempre que haya fondos disponibles.

El informe señala que, además de los avances en la tecnología de aceleradores, también debe haber nuevos desarrollos en la tecnología láser, y equipo de soporte como espejos, para darse cuenta de este nuevo tipo de colisionador.

BELLA ahora usa cristales de zafiro dopados con titanio para producir su luz láser. Para lograr energías mucho más altas, y potencia media del haz, el informe del DOE recomienda buscar otros tipos de láseres, como la fibra óptica, de Estado sólido, o láseres de dióxido de carbono, entre otros enfoques.

Un desafío tecnológico clave para BELLA es hacer que sus pulsos sean más rápidos, aumentando de una frecuencia actual de aproximadamente 1 pulso por segundo a una frecuencia de aproximadamente 1, 000 por segundo, o 1 kilohercio (en un desarrollo futuro denominado "K-BELLA").

Por último, una frecuencia de pulso de 10, 000 o 100, 000 por segundo sería ideal para un colisionador de próxima generación, dijo Carl Schroeder, un científico senior de Berkeley Lab que lidera esfuerzos teóricos y de modelado para experimentos BELLA y ha estado trabajando en diseños conceptuales y modelado para este colisionador LWFA.

Si su esfuerzo de I + D tiene éxito, La energía máxima de BELLA debería ser suficiente para alcanzar el hito de aceleración de 10 GeV, dijo Anthony Gonsalves, un científico del personal de Berkeley Lab que trabaja en BELLA. "Tenemos mucho espacio en el 'tanque', hay mucho espacio para la cabeza en energía que ni siquiera hemos explorado todavía".

Además del trabajo para desarrollar enfoques de uno y dos haces para un LWFA de 10 GeV, el desarrollo del laboratorio de un nuevo, El tipo compacto de láser de electrones libres (FEL) y una fuente de rayos gamma portátil separada —para comenzar a probar el próximo año— pueden ser las primeras aplicaciones importantes de la tecnología LWFA si los esfuerzos tienen éxito.

Los FEL son fuentes de luz altamente sintonizables que pueden ayudar a explorar la materia a escalas atómicas y moleculares con pulsos ultrabrillantes medidos en femtosegundos. o cuadrillonésimas de segundo. El proyecto FEL busca miniaturizar los FEL de rayos X mediante la sustitución de una estructura de aceleración convencional de un kilómetro de largo por un acelerador de wakefield de menos de 10 metros de largo.

La fuente de rayos gamma basada en plasma, mientras tanto, podría resultar una herramienta útil y portátil para la detección de materiales nucleares.

Schroeder dijo:"El FEL y la fuente de rayos gamma se reconocen como aplicaciones tempranas de esta tecnología. Los sistemas láser para estos experimentos se pondrán en servicio este invierno.

"La hoja de ruta presenta un rico programa para la próxima década, "añadió Leemans." Se están desarrollando conceptos clave para futuros colisionadores basados ​​en plasma, y BELLA, con actualizaciones, permitirá la prueba y el desarrollo de muchos de estos conceptos ".