Una nueva instalación que podría allanar el camino para una generación futura de colisionadores de partículas y poderosas fuentes de luz se ha encendido en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía. Operando como una instalación de usuario del DOE, FACET-II es la única instalación en el mundo capaz de proporcionar haces de positrones y electrones de alta energía para investigar una amplia gama de tecnologías revolucionarias de aceleradores que podrían reducir los futuros aceleradores en factores de 100 a 1. 000 y agudizar sus capacidades.

"Los aceleradores de partículas son los últimos microscopios, "dice Mark Hogan, Científico del proyecto FACET-II. "Podemos usarlos para hacer rayos de alta energía que podemos colisionar para comprender las partículas más pequeñas y las fuerzas que mantienen unido al universo, o podemos mover los rayos de un lado a otro para crear poderosas ráfagas de rayos X que nos permiten tomar fotografías de ultrapequeños, Procesos atómicos ultrarrápidos para comprender la biología y la química. FACET-II nos ayudará a desarrollar nuevas tecnologías que nos permitirán construir máquinas más pequeñas, menos costoso y más potente ".

Surf está arriba

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 desde 2011 hasta 2016, cuando la instalación fue clausurada para dar paso a las actualizaciones del láser de rayos X de electrones libres del laboratorio, la fuente de luz coherente Linac (LCLS). FACET-II se basa en los éxitos de FACET, donde los científicos demostraron que una técnica llamada aceleración de campo de despertador de plasma puede aumentar la energía de los electrones y sus partículas de antimateria, positrones. En este método, los investigadores envían un montón de partículas de alta energía a través de un gas ionizado caliente, o plasma, creando una estela de plasma para que un grupo de seguimiento "navegue", aumentando a energías extremadamente altas en una distancia corta.

En aceleradores convencionales, las partículas extraen energía de un campo de radiofrecuencia dentro de estructuras metálicas. Dado que estas estructuras solo pueden soportar una ganancia de energía limitada por distancia antes de romperse, los aceleradores deben ser extremadamente largos para alcanzar energías más altas y son costosos de construir. El enfoque de campo de despertador de plasma tiene el potencial de reducir drásticamente el tamaño y el costo de los aceleradores de partículas. Los futuros aceleradores de plasma podrían, por ejemplo, despliega la misma potencia de aceleración que el acelerador lineal de cobre de 2 millas de largo (linac) de SLAC en solo unos pocos metros.

La próxima generación

En el transcurso de dos años, Los equipos de SLAC instalaron una fuente de electrones de alto brillo de última generación y nuevos sistemas de compresores de grupos de electrones para producir haces intensos. También actualizaron los sistemas de control de la instalación e instalaron herramientas para analizar las propiedades de las vigas.

FACET-II producirá haces de electrones altamente energéticos como su predecesor, pero con una calidad aún mejor. La nueva instalación utiliza un tercio del linac SLAC, que envía 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. Su diseño también permite a los investigadores agregar la capacidad de producir y acelerar positrones, lo que permitiría a los investigadores obtener más información sobre la aceleración del campo de despertar del plasma e informar el desarrollo de colisionadores de partículas de electrones y positrones basados ​​en plasma que mejorarían nuestra comprensión de las partículas y fuerzas fundamentales de la naturaleza.

"Si vamos a utilizar la aceleración de wakefield de plasma para hacer un colisionador de electrones y positrones para la física de altas energías, primero tenemos que entender cómo acelerar los positrones en el plasma, ", Dice Hogan." SLAC es el único laboratorio con la infraestructura necesaria para proporcionar rayos de positrones para esta investigación. Esperamos poner esta capacidad en línea en los próximos años, lo que diferenciará a FACET-II de cualquier otra instalación del mundo ".

La instalación también ayudará a los científicos a diseñar una nueva generación de fuentes de luz, como láseres de rayos X más brillantes que nunca, y conducir a mejoras en los láseres de rayos X existentes, como LCLS. Estas poderosas máquinas de descubrimiento brindan a los científicos vistas incomparables del mundo atómico en constante cambio y abren nuevas vías que van desde la física de alta energía hasta la medicina y brindan beneficios potenciales para la investigación en materiales. ciencia biológica y energética.

"Encender FACET-II es como abrir una puerta por la que nadie ha mirado nunca, "dice el director del proyecto, Vitaly Yakimenko, Director de división FACET y subdirector de ciencia en la División Aceleradora de SLAC. "Producirá haces de electrones cien veces más intensos que cualquier cosa anterior y creará oportunidades científicas completamente nuevas".

Impulsando la innovación

Como instalación de usuario del DOE, FACET-II funcionará aproximadamente seis meses al año, entregar rayos a unos 25 experimentos y albergar a aproximadamente 250 investigadores de universidades, industria y otros laboratorios nacionales.

En los próximos meses, el comité asesor del programa FACET-II verificará la preparación de los experimentos iniciales que fueron elegidos para el tiempo de haz y revisará una segunda ronda de propuestas para entrar en la cola para la próxima ciencia. Hasta enero Los equipos trabajarán para poner en línea todas las piezas de FACET-II y hacer que el rayo tenga la energía y calidad adecuadas. A medida que los equipos instalan nuevo hardware experimental, los usuarios trabajarán en paralelo para asegurarse de que todo funcione correctamente y capte las señales correctas.

En los primeros experimentos, se espera que comience el próximo febrero, Los investigadores investigarán formas de preservar la calidad del haz, mejorar las técnicas de aceleración de campo de despertador de plasma y generar y acelerar positrones. También desarrollarán Trojan Horse-II, una actualización de una técnica existente que puede producir un intenso haz de electrones "introduciendo a escondidas" electrones en el plasma.

FACET-II también podría proporcionar información sobre la física nueva e inesperada, como las explosiones de rayos gamma, la forma más enérgica de radiación electromagnética, y electrodinámica cuántica de campo fuerte (QED), ambos juegan un papel importante en fenómenos astrofísicos extremos como los rayos cósmicos y las estrellas en explosión.

Otros objetivos científicos incluyen aceleradores de wakefield compactos que utilizan ciertos aislantes eléctricos en lugar de plasma, así como técnicas de aprendizaje automático que medirán y simularán con precisión la física de estos poderosos haces de electrones para ayudar a los investigadores a comprender y controlar los racimos ultracortos. Incrementar la eficiencia y productividad científica de los programas de usuario.

"Nuestro laboratorio se basó en tecnología de aceleradores y continúa impulsando innovaciones en el campo, "dice Bruce Dunham, jefe de la Dirección de Aceleración de SLAC. "FACET-II es una instalación innovadora que nos ayudará a mantenernos a la vanguardia de la ciencia de los aceleradores".