Um conjunto de novos sistemas de laser e atualizações propostas no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) do Departamento de Energia (DOE) irão impulsionar planos de longo prazo para um colisor de partículas de energia ultra-alta mais compacto e acessível.

O progresso nesses sistemas de laser e aceleradores movidos a laser também pode fornecer muitos resultados, como uma nova ferramenta para caçar materiais radioativos, e um sistema laser de elétrons livres miniaturizado e altamente ajustável, permitindo uma série de experimentos científicos.

Esses esforços são descritos em um relatório de workshop patrocinado pelo DOE que se concentra em um conjunto de roteiros de 10 anos projetados para dar o pontapé inicial na P&D, conduzindo um colisor de partículas de próxima geração para física de alta energia. O objetivo final é uma máquina capaz de explorar a física além do alcance do Large Hadron Collider (LHC) do CERN. O colisor mais poderoso da atualidade, o LHC possibilitou a descoberta do bóson de Higgs que resultou no Prêmio Nobel de Física de 2013.

O LHC, com um anel principal de 17 milhas de circunferência, colide prótons - partículas subatômicas liberadas do centro dos átomos - em energias de colisão de até 13 trilhões de elétronvolts (13 TeV).

Enquanto isso, propostas para colisões lineares de próxima geração colidiriam elétrons e suas antipartículas, pósitrons, em energias mais baixas - de algumas centenas de bilhões de elétronvolts (GeV) até alguns TeV. E embora as energias de colisão dessas máquinas sejam menores do que as do LHC, a física de suas colisões elétron-pósitron seria complementar, permitindo mais específico, medições detalhadas para algumas propriedades e fenômenos das partículas.

Construir um colisor elétron-pósitron de nível TeV com a tecnologia de acelerador de hoje é possível, mas seria caro devido ao seu grande tamanho (sua pegada provavelmente mediria mais de 20 milhas).

Em um esforço para reduzir o escopo e o custo associado de um colisor de próxima geração, o Office of High Energy Physics dentro do DOE's Office of Science reuniu mais de duas dúzias de especialistas do DOE e de todo o país para preparar um Relatório de Estratégia de Desenvolvimento de Acelerador Avançado que define metas para três tecnologias de acelerador potencialmente revolucionárias nos próximos 10 anos.

Entre outras recomendações, o relatório destaca a necessidade de P&D na BELLA, o Berkeley Lab Laser Accelerator, que é baseado em uma dessas três tecnologias:um acelerador de wakefield de plasma acionado por laser (LWFA). Esta forma de aceleração usa um laser ou lasers para acelerar os elétrons a altas energias.

Dois outros conceitos de aceleração de wakefield sendo desenvolvidos em outro lugar - um para um acelerador acionado por feixe de partículas, o outro para um acelerador dielétrico de wakefield - também está incluído no roteiro.

Outras técnicas de aceleração estão em desenvolvimento que estão fora do escopo do relatório, incluindo um esforço de P&D baseado no CERN chamado AWAKE que está explorando a aceleração de wakefield de plasma conduzida por prótons.

Todas as novas abordagens para a aceleração de partículas endossadas no relatório oferecem maneiras potenciais de reduzir os aceleradores de partículas de alta energia criando compactos, ondas densas de plasmas - formadas em calor, gases altamente carregados - que aceleram rapidamente grupos de elétrons posicionados com precisão, como um surfista navegando em uma onda do mar.

Os pesquisadores da BELLA já demonstraram uma configuração LWFA modular para alcançar altas energias, e agora estamos trabalhando para melhorar isso. A meta de curto prazo delineada no relatório é atingir energias de feixe de elétrons de 10 GeV, acima do atual recorde mundial da BELLA de 4,3 GeV.

"Assim que tivermos 10 feixes GeV, isso abrirá uma nova série de coisas. Será um grande passo à frente, "disse Wim Leemans, diretor da Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada do Laboratório. A meta de 10 GeV é significativa porque representa um limite de energia para a geração de feixes de pósitrons de alta carga, que seria necessário para um colisor de próxima geração.

O roteiro LWFA, Leemans disse, "nos dá uma âncora em todo o programa de aceleração" delineado para o complexo laboratorial nacional DOE.

A equipe da BELLA buscará duas abordagens diferentes para atingir essa meta de 10 GeV:uma configuração de estágio de acelerador único usando um único laser, e uma abordagem em dois estágios com dois lasers separados.

O primeiro estágio aumentará a energia do feixe de elétrons para 5 GeV, e o segundo estágio irá acelerar o feixe em 5 GeV adicionais, a 10 GeV. A segunda linha de luz BELLA para a configuração de dois feixes pode ser construída até o final de 2018, conforme descrito no relatório do roteiro, desde que haja financiamento disponível.

O relatório observa que, além dos avanços na tecnologia de aceleradores, também deve haver novos desenvolvimentos em tecnologia de laser, e equipamentos de apoio, como espelhos, para realizar este novo tipo de colisor.

BELLA agora usa cristais de safira dopados com titânio para produzir sua luz laser. Para alcançar energias muito mais elevadas, e potência média do feixe, o relatório DOE recomenda buscar outros tipos de lasers, como fibra óptica, Estado sólido, ou lasers de dióxido de carbono, entre outras abordagens.

Um desafio de tecnologia chave para BELLA é tornar seus pulsos mais rápidos, aumentando de uma taxa atual de cerca de 1 pulso por segundo para uma taxa de cerca de 1, 000 por segundo, ou 1 quilohertz (em um desenvolvimento futuro apelidado de "K-BELLA").

Em última análise, uma taxa de pulso de 10, 000 ou 100, 000 por segundo seria ideal para um colisor de próxima geração, disse Carl Schroeder, um cientista sênior do Berkeley Lab que lidera esforços teóricos e de modelagem para experimentos BELLA e tem trabalhado em projetos conceituais e modelagem para este colisor LWFA.

Se seu esforço de P&D for bem-sucedido, A energia máxima de BELLA deve ser suficiente para atingir o marco de aceleração de 10 GeV, disse Anthony Gonsalves, um cientista da equipe do Berkeley Lab que trabalha no BELLA. "Temos muito espaço no 'tanque' - há muito espaço para energia que ainda não exploramos."

Além de trabalhar para desenvolver abordagens de um e dois feixes para um LWFA de 10 GeV, o desenvolvimento do laboratório de um novo, tipo compacto de laser de elétrons livres (FEL) e uma fonte de raios gama portátil separada - para começar os testes no próximo ano - podem ser as primeiras aplicações importantes da tecnologia LWFA se os esforços forem bem-sucedidos.

FELs são fontes de luz altamente sintonizáveis ​​que podem ajudar a explorar a matéria até as escalas atômica e molecular com pulsos ultrabright medidos em femtossegundos, ou quatrilionésimos de segundo. O projeto FEL visa miniaturizar os FELs de raios-X substituindo uma estrutura de aceleração convencional com um quilômetro de comprimento por um acelerador de wakefield com menos de 10 metros de comprimento.

A fonte de raios gama baseada em plasma, Enquanto isso, pode revelar-se uma ferramenta útil e portátil para a detecção de materiais nucleares.

Schroeder disse, "O FEL e a fonte de raios gama são reconhecidos como as primeiras aplicações dessa tecnologia. Os sistemas de laser para esses experimentos serão comissionados neste inverno.

"O roteiro apresenta um rico programa para a próxima década, "acrescentou Leemans." Conceitos-chave estão sendo desenvolvidos para futuros colisões baseados em plasma, e BELLA, com atualizações, permitirá o teste e o desenvolvimento de muitos desses conceitos. "