Os aceleradores de partículas de ponta do mundo estão levando os extremos em feixes de alto brilho e pulsos ultracurtos para explorar a matéria de novas maneiras.

Para otimizar seu desempenho - e se preparar para as instalações de próxima geração que levarão esses extremos ainda mais longe - os cientistas desenvolveram uma nova ferramenta que pode medir o quão brilhantes são esses feixes, mesmo para pulsos que duram apenas femtossegundos (quatrilionésimos de segundo) ou attossegundos (quintilionésimos de segundo). Comparar 1 attossegundo a 1 segundo é como comparar 1 segundo a 31,7 bilhões de anos.

Essa ferramenta também pode medir tamanhos de feixes em algumas dezenas de nanômetros (bilionésimos de um metro) - sem interromper os experimentos que dependem desses feixes.

A nova ferramenta, apelidado de "monitor de densidade de carga, "também poderia fornecer medidas mais precisas da física fundamental em experimentos de feixe de alta energia e alto campo, e ajudar a orientar os esforços de P&D que buscam reduzir o tamanho e o custo das instalações do acelerador e acelerador de partículas enquanto aumentam suas capacidades.

A pesquisa usando este diagnóstico proposto também pode impactar disciplinas que vão desde a ciência do plasma à física atômica, e pode levar a novas aplicações e revelar novas físicas.

No Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center do Departamento de Energia dos EUA, os pesquisadores esperam testar essa ferramenta medindo as propriedades das partículas após uma intensa perfuração de feixe de laser através de um jato de gás. Ao fazer isso, eles esperam aprender sobre o pulso de feixe de elétrons que emerge dessa interação.

"A BELLA oferece uma bancada de teste ideal para avaliar o potencial do método de medição de feixe em um acelerador avançado de última geração, visto que nosso objetivo é produzir as explosões ultracurtas de elétrons mais brilhantes possíveis com nossa tecnologia de acelerador compacto, "disse Wim Leemans, diretor do Centro BELLA e da Divisão de Tecnologia e Física Aplicada do Acelerador do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab).

"Isso forneceria uma ferramenta poderosa para medir e melhorar os feixes de BELLA."

Leemans liderou a equipe de colaboradores do Berkeley Lab como parte de uma equipe internacional em um estudo técnico detalhando o novo método, publicado na edição de 10 de maio da revista Revisão Física X .

Roxana Tarkeshian, pesquisador da Universidade de Berna e anteriormente do Instituto Paul Scherrer, atuou como o autor principal do estudo e tem buscado o novo método diagnóstico desde 2015, com o apoio de Thomas Feurer, professor da Universidade de Berna e especialista em tecnologia baseada em laser e física espacial.

"Suas medidas ultrassensíveis em alta resolução, e seu baixo custo e compactação estão entre seus ativos, "Tarkeshian disse.

O estudo detalha como feixes de partículas intensas podem passar por um gás neutro de baixa densidade, removendo elétrons de átomos de gás por meio de fortes campos elétricos associados a intensos feixes de partículas. Uma nuvem ionizada (carregada) de matéria conhecida como plasma - contendo íons e elétrons - se forma no processo.

A resolução "sem precedentes" da técnica para a duração e tamanho de pulsos individuais para feixes de elétrons e pósitrons relaciona-se a um efeito no qual pequenas mudanças no brilho do feixe de apenas alguns por cento a dezenas de por cento podem resultar em dezenas a centenas de vezes mais íons gerados na presença de um campo elétrico, Tarkeshian observou.

O processo é semelhante ao que acontece quando um processo muito intenso, feixe de laser focalizado ou pulso de raios-X interage com um gás e ioniza os átomos. Mas existem diferenças importantes na física desse processo de ionização para feixes de luz (fótons) versus outros tipos de feixes de partículas.

Com feixes de luz, elétrons e íons (partículas carregadas) são produzidos em toda a pegada do feixe, e os elétrons associados ao plasma têm uma velocidade relativamente baixa e tendem a ficar pendurados ao redor da coluna de íons até serem puxados por um campo elétrico externo. Íons com cargas positivas então derivam na direção oposta e podem ser medidos.

Para feixes de partículas de elétrons (carregados negativamente) ou pósitrons (carregados positivamente), a forma do campo elétrico se assemelha a um donut e produz uma coluna de plasma em forma de anel, sem íons deixados inicialmente no caminho do feixe - o buraco do donut. Esses feixes de partículas podem fornecer um poderoso impulso aos elétrons, que pode deixar uma coluna de íons em forma de anel para trás. E esses íons podem ser guiados por um campo elétrico para um detector que mede o número de íons, a velocidade deles, e seu estado carregado.

O estudo mais recente mostra que a nova ferramenta de medição também pode coletar mais informações sobre o próprio feixe deste "donut de íons" sob as condições operacionais certas - com a densidade certa e a mistura certa de gases, por exemplo.

A equipe realizou simulações sofisticadas usando um código de computador refinado do Berkeley Lab, conhecido como WARP, e outro código conhecido como VSim. Os pesquisadores modelaram a interação de partículas e feixes de fótons com gases e a dinâmica relacionada ao plasma resultante.

"As simulações nos permitiram ampliar o espaço e o tempo - da escala centimétrica até o tamanho submicrométrico do feixe, e seguir a dinâmica e distribuição de elétrons e íons em diferentes escalas de tempo, "disse Jean-Luc Vay, um cientista sênior do Berkeley Lab que contribuiu para o código WARP e lidera o Programa de Modelagem do Acelerador na Divisão ATAP do Laboratório.

Vay observou que aspectos do código provaram ser fundamentais para a modelagem precisa e compreensão das diferenças entre os efeitos dos feixes de partículas e os feixes de fótons, e em encontrar a melhor maneira de ajustar e operar o sistema.

Uma vez que o sistema de diagnóstico completo é implementado nos sistemas aceleradores, as simulações ajudarão a verificar a realidade das medições reais em experimentos e ajudarão a desenvolver um caminho para otimizar o desempenho do feixe.

"Pequenas mudanças podem ser resolvidas com muita precisão, " ela disse, com base em medições de pulsos de feixe individuais.

A técnica proposta também abre a possibilidade de estudar a dinâmica induzida por carga na matéria, e pode fornecer mais informações sobre as escalas de tempo dos processos atômicos ou moleculares fundamentais que estão sendo estudados com pulsos de fótons de attossegundos, ela disse, incluindo uma propriedade conhecida como tunelamento quântico em que uma partícula pode aparecer espontaneamente "tunelar" através da barreira potencial do átomo em desafio à física clássica.

E Tarkeshian aponta que o diagnóstico proposto pode ser útil para os lasers de elétrons livres de raios-X existentes (XFELs), como o FEL de raios-X Linac Coherent Light Source (LCLS) no SLAC National Accelerator Laboratory, a instalação FLASH em DESY na Alemanha, o SwissFEL no Instituto Paul Scherrer (PSI) na Suíça, entre outros, e instalações em construção como o LCLS-II no SLAC.

Por exemplo, um protótipo foi instalado no LCLS com o apoio e contribuições do cientista do SLAC Patrick Krejcik e uma equipe do PSI para diagnosticar o ultracurto, feixes de elétrons de alta energia produzidos por seu acelerador.

Tarkeshian observou que outras ferramentas foram desenvolvidas para fornecer medições do acelerador e propriedades do feixe XFEL, mas à medida que os pulsos dos feixes acumulam mais e mais intensidade e energia em pulsos cada vez mais curtos, novas ferramentas serão necessárias para acompanhar esses feixes extremos.

Ela creditou alguns trabalhos de décadas em um diagnóstico proposto para um projeto de acelerador de teste no SLAC conhecido como o Final Focus Test Beam, ou FFTB, na pavimentação do caminho para este novo conceito de design.

"Em nosso último trabalho, estudamos não apenas os conceitos, mas também abordamos os desafios que esta técnica pode enfrentar experimentalmente, "Tarkeshian disse.

"É ótimo reviver este conceito inacabado de décadas atrás com novas ideias, e com suporte contínuo, podemos realizar seu potencial, "ela acrescentou." Este é um caminho muito aberto, e estamos apenas começando. "

Leemans disse, "Acreditamos que a realização prática desta técnica inovadora será, em última análise, de amplo interesse para a física internacional de alta energia e para as comunidades científicas em geral conduzidas por aceleradores."