La celda de gas utilizada como fuente de plasma. El láser llega desde la derecha de estas imágenes a través del cono de metal y entra en el pequeño cubo, que está lleno de gas. El láser ioniza el gas y lo convierte en plasma y crea el acelerador. Crédito:Rob Shalloo
Los investigadores han utilizado la inteligencia artificial para controlar los haces de la próxima generación de aceleradores más baratos para la investigación, aplicaciones médicas e industriales.
Experimentos dirigidos por investigadores del Imperial College de Londres, utilizando la Instalación Láser Central (CLF) del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología, demostró que un algoritmo era capaz de ajustar los complejos parámetros implicados en el control de la próxima generación de aceleradores de partículas basados en plasma.
El algoritmo pudo optimizar el acelerador mucho más rápido que un operador humano, e incluso podría superar los experimentos en sistemas láser similares.
Estos aceleradores concentran la energía de los láseres más potentes del mundo hasta un punto del tamaño de una célula de la piel. produciendo electrones y rayos X con equipos de una fracción del tamaño de los aceleradores convencionales.
Los electrones y los rayos X se pueden utilizar para la investigación científica, como sondear la estructura atómica de los materiales; en aplicaciones industriales, por ejemplo, para la producción de productos electrónicos de consumo y caucho vulcanizado para neumáticos de automóviles; y también podría usarse en aplicaciones médicas, como tratamientos contra el cáncer e imágenes médicas.
Varias instalaciones que utilizan estos nuevos aceleradores se encuentran en diversas etapas de planificación y construcción en todo el mundo, incluido el Centro de Aplicaciones de Fotónica Extrema (EPAC) de CLF en el Reino Unido, y el nuevo descubrimiento podría ayudarlos a trabajar de la mejor manera posible en el futuro. Los resultados se publican hoy en Comunicaciones de la naturaleza .
Los electrones son expulsados del acelerador de plasma casi a la velocidad de la luz, antes de pasar por un campo magnético que separa las partículas por su energía. Luego se disparan a una pantalla fluorescente, se muestra aquí. Crédito:Rob Shalloo
Primer autor Dr. Rob Shalloo, que completó el trabajo en Imperial y ahora está en el centro de aceleración DESY, dijo:"Las técnicas que hemos desarrollado serán fundamentales para aprovechar al máximo una nueva generación de instalaciones avanzadas de aceleradores de plasma en construcción en el Reino Unido y en todo el mundo.
"La tecnología de acelerador de plasma proporciona ráfagas de electrones y rayos X excepcionalmente breves, que ya están encontrando usos en muchas áreas de estudio científico. Con nuestros desarrollos, esperamos ampliar la accesibilidad a estos aceleradores compactos, permitiendo a los científicos de otras disciplinas y a quienes deseen utilizar estas máquinas para aplicaciones, beneficiarse de la tecnología sin ser un experto en aceleradores de plasma ".
El equipo trabajó con aceleradores láser de wakefield. Estos combinan los láseres más potentes del mundo con una fuente de plasma (gas ionizado) para crear haces concentrados de electrones y rayos X. Los aceleradores tradicionales necesitan cientos de metros a kilómetros para acelerar los electrones, pero los aceleradores de wakefield pueden gestionar la misma aceleración en el espacio de milímetros, reduciendo drásticamente el tamaño y el costo del equipo.
Sin embargo, porque los aceleradores de wakefield operan en las condiciones extremas creadas cuando los láseres se combinan con plasma, pueden ser difíciles de controlar y optimizar para obtener el mejor rendimiento. En aceleración de wakefield, un pulso de láser ultracorto se impulsa al plasma, creando una onda que se utiliza para acelerar electrones. Tanto el láser como el plasma tienen varios parámetros que se pueden modificar para controlar la interacción, como la forma y la intensidad del pulso láser, o la densidad y longitud del plasma.
Si bien un operador humano puede modificar estos parámetros, es difícil saber cómo optimizar tantos parámetros a la vez. En lugar de, el equipo recurrió a la inteligencia artificial, creando un algoritmo de aprendizaje automático para optimizar el rendimiento del acelerador.
Esta foto muestra el exterior de la cámara de vacío que está completamente rodeada de ladrillos de plomo pintados. El plomo es para protección contra la radiación y el marco de metal permite enrollar las paredes de plomo hacia adentro y hacia afuera para permitir el acceso a la cámara. Están pintados porque el plomo es altamente tóxico, por lo que pintarlos evita que generen polvo de plomo nocivo. Crédito:Rob Shalloo
El algoritmo configuró hasta seis parámetros que controlan el láser y el plasma, disparó el láser, analizó los datos, y restablecer los parámetros, realizar este bucle muchas veces seguidas hasta que se alcance la configuración óptima de los parámetros.
El investigador principal, el Dr. Matthew Streeter, que completó el trabajo en Imperial y ahora está en Queen's University Belfast, dijo:"Nuestro trabajo resultó en un acelerador de plasma autónomo, el primero de su tipo. Además de permitirnos optimizar eficientemente el acelerador, también simplifica su funcionamiento y nos permite dedicar más esfuerzos a explorar la física fundamental detrás de estas máquinas extremas ".
El equipo demostró su técnica utilizando el sistema láser Gemini en el CLF, y ya han comenzado a utilizarlo en nuevos experimentos para sondear la estructura atómica de materiales en condiciones extremas y en el estudio de la antimateria y la física cuántica.
Los datos recopilados durante el proceso de optimización también proporcionaron una nueva perspectiva de la dinámica de la interacción láser-plasma dentro del acelerador. potencialmente informando diseños futuros para mejorar aún más el rendimiento del acelerador.
