Combinando um primeiro pulso de laser para aquecer e "perfurar" um plasma, e outro para acelerar os elétrons a energias incrivelmente altas em apenas dezenas de centímetros, os cientistas quase dobraram o recorde anterior de aceleração de partículas movida a laser.

Os experimentos de plasma a laser, conduzido no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), estão avançando em direção a tipos mais compactos e acessíveis de aceleração de partículas para alimentar exóticos, máquinas de alta energia - como lasers de elétrons livres de raios-X e aceleradores de partículas - que poderiam permitir aos pesquisadores ver mais claramente na escala das moléculas, átomos, e até mesmo partículas subatômicas.

O novo recorde de propulsão de elétrons para 7,8 bilhões de elétron-volts (7,8 GeV) no Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center ultrapassa o resultado de 4,25 GeV na BELLA anunciado em 2014. A última pesquisa é detalhada na edição de 25 de fevereiro do jornal Cartas de revisão física . O resultado recorde foi alcançado durante o verão de 2018.

O experimento usou pulsos de laser "driver" incrivelmente intensos e curtos, cada um com uma potência de pico de cerca de 850 trilhões de watts e confinado a um comprimento de pulso de cerca de 35 quatrilionésimos de segundo (35 femtossegundos). O pico de potência é equivalente a acender cerca de 8,5 trilhões de lâmpadas de 100 watts simultaneamente, embora as lâmpadas ficassem acesas por apenas dezenas de femtossegundos.

Cada pulso de laser intenso liberou um forte "chute" que despertou uma onda dentro de um plasma - um gás que foi aquecido o suficiente para criar partículas carregadas, incluindo elétrons. Os elétrons montaram a crista da onda de plasma, como um surfista surfando uma onda do oceano, para alcançar energias recordes em um tubo de safira de 20 centímetros de comprimento.

"Apenas criar grandes ondas de plasma não foi suficiente, "observou Anthony Gonsalves, o principal autor do último estudo. "Também precisávamos criar essas ondas em todo o comprimento do tubo de 20 centímetros para acelerar os elétrons a essa alta energia."

Para fazer isso, é necessário um canal de plasma, que confina um pulso de laser da mesma maneira que um cabo de fibra ótica canaliza a luz. Mas, ao contrário de uma fibra óptica convencional, um canal de plasma pode suportar os pulsos de laser ultra-intensos necessários para acelerar os elétrons. Para formar esse canal de plasma, você precisa tornar o plasma menos denso no meio.

No experimento de 2014, uma descarga elétrica foi usada para criar o canal de plasma, mas para ir para energias mais altas, os pesquisadores precisavam que o perfil de densidade do plasma fosse mais profundo - por isso é menos denso no meio do canal. Em tentativas anteriores, o laser perdeu seu foco rígido e danificou o tubo de safira. Gonsalves observou que mesmo as áreas mais fracas do foco do feixe de laser - suas chamadas "asas - eram fortes o suficiente para destruir a estrutura de safira com a técnica anterior.

Eric Esarey, Diretor do Centro BELLA, disse que a solução para esse problema foi inspirada por uma ideia dos anos 1990 de usar um pulso de laser para aquecer o plasma e formar um canal. Esta técnica foi usada em muitos experimentos, incluindo um esforço do Berkeley Lab em 2004 que produziu feixes de alta qualidade atingindo 100 milhões de elétron-volts (100 MeV).

Tanto a equipe de 2004 quanto a equipe envolvida no último esforço foram lideradas pelo ex-diretor do ATAP e do BELLA Center, Wim Leemans, que está agora no laboratório DESY na Alemanha. Os pesquisadores perceberam que combinar os dois métodos - e colocar um feixe de aquecimento no centro do capilar - aprofunda e estreita ainda mais o canal de plasma. Isso forneceu um caminho para a obtenção de feixes de alta energia.

No último experimento, Gonsalves disse, "A descarga elétrica nos deu um controle primoroso para otimizar as condições de plasma para o pulso de laser do aquecedor. O momento da descarga elétrica, pulso do aquecedor, e o pulso do motorista era crítico. "

A técnica combinada melhorou radicalmente o confinamento do feixe de laser, preservando a intensidade e o foco do laser de direção, e limitar o tamanho do ponto, ou diâmetro, para apenas dezenas de milionésimos de um metro enquanto se movia através do tubo de plasma. Isso permitiu o uso de um plasma de densidade mais baixa e um canal mais longo. O registro anterior de 4,25 GeV havia usado um canal de 9 centímetros.

A equipe precisava de novos modelos numéricos (códigos) para desenvolver a técnica. Uma colaboração incluindo Berkeley Lab, o Instituto Keldysh de Matemática Aplicada na Rússia, e o Projeto ELI-Beamlines na República Tcheca adaptou e integrou vários códigos. Eles combinaram MARPLE e NPINCH, desenvolvido no Keldysh Institute, para simular a formação do canal; e INF &RNO, desenvolvido no BELLA Center, para modelar as interações laser-plasma.

"Esses códigos nos ajudaram a ver rapidamente o que faz a maior diferença - quais são as coisas que permitem que você alcance orientação e aceleração, "disse Carlo Benedetti, o desenvolvedor líder de INF &RNO. Uma vez que os códigos mostraram que concordam com os dados experimentais, ficou mais fácil interpretar os experimentos, ele notou.

"Agora está no ponto em que as simulações podem nos levar e nos dizer o que fazer a seguir, "Disse Gonsalves.

Benedetti observou que os cálculos pesados ​​nos códigos recorreram aos recursos do Centro Nacional de Pesquisa Científica de Computação (NERSC) do Laboratório de Berkeley. Trabalhos futuros direcionados a uma aceleração de energia mais alta podem exigir cálculos muito mais intensos que se aproximam de um regime conhecido como computação exascale.

"Hoje, os feixes produzidos podem permitir a produção e captura de pósitrons, "que são contrapartes carregadas positivamente dos elétrons, disse Esarey.

Ele observou que há uma meta de atingir energias de 10 GeV na aceleração de elétrons em BELLA, e os experimentos futuros terão como alvo esse limite e além.

"No futuro, vários estágios de alta energia de aceleração de elétrons podem ser acoplados para realizar um colisor elétron-pósitron para explorar a física fundamental com nova precisão, " ele disse.