SLAC está mejorando su instalación para pruebas experimentales de aceleradores avanzados (FACET), un banco de pruebas para nuevas tecnologías que podrían revolucionar la forma en que construimos aceleradores de partículas. FACET-II utilizará el tercio medio del acelerador lineal de 2 millas de largo del laboratorio (planta SLAC en la parte superior). Enviará un haz de electrones (abajo, línea azul) desde la fuente de electrones (abajo a la izquierda) al área experimental (abajo a la derecha), donde llegará con una energía de 10 mil millones de electronvoltios. El diseño permite agregar la capacidad de producir y acelerar positrones (abajo, línea roja) más tarde. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory)
El Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía ha comenzado a ensamblar una nueva instalación para tecnologías revolucionarias de aceleradores que podrían hacer que los futuros aceleradores sean 100 a 1, 000 veces más pequeños y potencian sus capacidades.
El proyecto es una actualización de la Instalación para Pruebas Experimentales de Acelerador Avanzado (FACET), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que operó de 2011 a 2016. FACET-II producirá haces de electrones de alta energía como su predecesor, pero con una calidad aún mejor. Estos haces se utilizarán principalmente para desarrollar técnicas de aceleración de plasma, lo que podría conducir a colisionadores de partículas de próxima generación que mejoran nuestra comprensión de las partículas y fuerzas fundamentales de la naturaleza y nuevos láseres de rayos X que nos brindan vistas incomparables de los procesos ultrarrápidos en el mundo atómico que nos rodea.
FACET-II será una instalación única que ayudará a mantener a los EE. UU. A la vanguardia de la ciencia de los aceleradores, dijo Vitaly Yakimenko de SLAC, director del proyecto. "Sus haces de alta calidad nos permitirán desarrollar nuevos métodos de aceleración, ", dijo." En particular, esos estudios nos acercarán a convertir la aceleración del plasma en aplicaciones científicas reales ".
El DOE ha aprobado ahora el proyecto de $ 26 millones (Decisiones críticas 2 y 3). La nueva instalación, que se espera que esté terminado a finales de 2019, también funcionará como una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias, una instalación de investigación patrocinada por el gobierno federal para la investigación avanzada de aceleradores disponible en un competitivo, base revisada por pares para científicos de todo el mundo.
"Como instalación nacional de usuarios estratégicamente importante, FACET-II nos permitirá explorar la viabilidad y las aplicaciones de la tecnología de acelerador impulsado por plasma, "dijo James Siegrist, director asociado del programa de Física de Alta Energía (HEP) de la Oficina de Ciencias del DOE, que administra I + D de aceleradores avanzados en los EE. UU. para el desarrollo de aplicaciones en la ciencia y la sociedad. "Esperamos ver la ciencia innovadora en esta área que promete FACET-II, con el potencial de una reducción significativa del tamaño y el costo de los aceleradores futuros, incluidos los láseres de electrones libres y los aceleradores médicos ".
Bruce Dunham, jefe de la Dirección de Aceleración de SLAC, dijo, "Nuestro laboratorio se construyó con tecnología de aceleradores y continúa impulsando innovaciones en el campo. Estamos entusiasmados de ver que FACET-II avanza".
Los investigadores utilizarán FACET-II para desarrollar el método de aceleración de wakefield de plasma, en el que los investigadores envían un montón de partículas muy energéticas a través de un gas ionizado caliente, o plasma, creando una estela de plasma para que un grupo de seguimiento "surfee" y gane energía. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Navegando por el Plasma Wake
La nueva instalación se basará en los éxitos de FACET, donde los científicos ya demostraron que la técnica del plasma puede aumentar de manera muy eficiente la energía de los electrones y sus partículas de antimateria, positrones. En este método, Los investigadores envían un montón de partículas muy energéticas a través de un gas ionizado caliente, o plasma, creando una estela de plasma para que un grupo de seguimiento "surfee" y gane energía.
En aceleradores convencionales, las partículas extraen energía de un campo de radiofrecuencia dentro de estructuras metálicas. Sin embargo, estas estructuras solo pueden soportar una ganancia de energía limitada por distancia antes de romperse. Por lo tanto, los aceleradores que generan energías muy altas se vuelven muy largos, y muy caro. El enfoque de wakefield de plasma promete abrir nuevos caminos. Los futuros aceleradores de plasma podrían, por ejemplo, despliegan la misma potencia de aceleración que el histórico acelerador de cobre de 2 millas de largo (linac) de SLAC en solo unos pocos metros.
Los investigadores utilizarán FACET-II para desarrollos cruciales antes de que los aceleradores de plasma puedan convertirse en una realidad. "Necesitamos demostrar que somos capaces de preservar la calidad del rayo a medida que atraviesa el plasma, "dijo Mark Hogan de SLAC, Científico del proyecto FACET-II. "Los haces de alta calidad son un requisito absoluto para futuras aplicaciones en la física del láser de rayos X y partículas".
La instalación FACET-II está financiada actualmente para operar con electrones, pero su diseño permite agregar la capacidad de producir y acelerar positrones más tarde, un paso que permitiría el desarrollo de colisionadores de partículas electrón-positrón basados en plasma para experimentos de física de partículas.
Otro objetivo importante es el desarrollo de nuevas fuentes de electrones que podrían conducir a fuentes de luz de próxima generación. como láseres de rayos X más brillantes que nunca. Estas poderosas máquinas de descubrimiento brindan a los científicos una visión sin precedentes del mundo atómico en constante cambio y abren nuevas vías para la investigación en química. biología y ciencia de los materiales.
Otros objetivos científicos para FACET-II incluyen aceleradores de wakefield compactos que utilizan ciertos aislantes eléctricos (dieléctricos) en lugar de plasma, así como herramientas de diagnóstico y computacionales que medirán y simularán con precisión la física de los potentes haces de electrones de la nueva instalación. Los objetivos científicos se están desarrollando con aportaciones periódicas de la comunidad de usuarios de FACET.
Los futuros colisionadores de partículas requerirán métodos de aceleración altamente eficientes tanto para electrones como para positrones. Aceleración de campo de despertador de plasma de ambos tipos de partículas, como se muestra en esta simulación, podría dar lugar a colisionadores más pequeños y potentes que las máquinas actuales. Crédito:F. Tsung / W. An / UCLA; Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
"La aprobación de FACET-II es un hito emocionante para la comunidad científica, "dijo Chandrashekhar Joshi, un investigador de la Universidad de California, Los Angeles, y colaborador desde hace mucho tiempo del equipo de aceleración de plasma de SLAC. "La instalación ampliará los límites de la ciencia de los aceleradores, descubrir física nueva e inesperada y contribuir sustancialmente al esfuerzo coordinado de la nación en I + D de aceleradores avanzados ".
Vía rápida a los primeros experimentos
Para completar la instalación, los equipos instalarán una fuente de electrones e imanes para comprimir los racimos de electrones, así como un nuevo blindaje, dijo Carsten Hast de SLAC, Director técnico de FACET-II. "También actualizaremos los sistemas de control de la instalación e instalaremos herramientas para analizar las propiedades de la viga".
FACET-II utilizará un kilómetro (un tercio) de SLAC linac, enviando electrones desde la fuente en un extremo al área experimental en el otro extremo, para generar un haz de electrones con una energía de 10 mil millones de electronvoltios que impulsará el programa de investigación versátil de la instalación.
FACET-II ha emitido su primera convocatoria de propuestas para experimentos que se ejecutarán cuando la instalación entre en línea en 2020.
"El equipo del proyecto ha hecho un trabajo sobresaliente al obtener la aprobación del DOE para la instalación, "dijo Hannibal Joma de DOE, director del proyecto federal de FACET-II. "Ahora entregaremos el proyecto a tiempo para el programa de usuario en SLAC".
Selina Green de SLAC, gerente de proyecto, dijo, "Después de dos años de arduo trabajo, Es muy emocionante ver que el proyecto finalmente se concreta. Gracias al continuo apoyo del DOE, pronto podremos abrir FACET-II para nuevas e innovadoras ciencias ".
