Uma nova instalação que pode abrir caminho para uma futura geração de coletores de partículas e fontes de luz poderosas foi ativada no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia. Operando como uma facilidade de usuário DOE, FACET-II é a única instalação no mundo capaz de fornecer feixes de elétrons e pósitrons de alta energia para a pesquisa de uma vasta gama de tecnologias de aceleradores revolucionárias que poderiam reduzir os aceleradores futuros por fatores de 100 a 1, 000 e aprimorar suas capacidades.

"Os aceleradores de partículas são os microscópios definitivos, "diz Mark Hogan, Cientista do projeto FACET-II. "Podemos usá-los para fazer feixes de alta energia que podemos colidir para entender as menores partículas e as forças que mantêm o universo unido, ou podemos mover os feixes para frente e para trás para criar rajadas poderosas de raios-X que nos permitem tirar fotos de ultrassom, processos atômicos ultrarrápidos para compreender a biologia e a química. O FACET-II nos ajudará a desenvolver novas tecnologias que nos permitirão construir máquinas menores, menos caro e mais poderoso. "

Ressaca

O projeto é uma atualização do Facility for Advanced Accelerator Experimental Test (FACET), uma instalação de usuário do DOE Office of Science que funcionou de 2011 a 2016, quando a instalação foi desativada para dar lugar a atualizações para o laser de elétrons livres de raios-X do laboratório, a fonte de luz coerente Linac (LCLS). O FACET-II se baseia no sucesso do FACET, onde os cientistas demonstraram que uma técnica chamada aceleração de campo de vigília de plasma pode aumentar a energia dos elétrons e suas partículas de antimatéria, pósitrons. Neste método, pesquisadores enviam um monte de partículas de alta energia através de um gás ionizado quente, ou plasma, criando uma esteira de plasma para um grupo de arrastamento "surfar", aumentando para energias extremamente altas em uma curta distância.

Em aceleradores convencionais, partículas retiram energia de um campo de radiofrequência dentro de estruturas metálicas. Uma vez que essas estruturas só podem suportar um ganho de energia limitado por distância antes de quebrar, os aceleradores precisam ser extremamente longos para alcançar energias mais altas e são caros de construir. A abordagem do wakefield de plasma tem o potencial de reduzir drasticamente o tamanho e o custo dos aceleradores de partículas. Futuros aceleradores de plasma poderiam, por exemplo, desdobrar o mesmo poder de aceleração que o acelerador linear de cobre de 2 milhas de comprimento do SLAC (Linac) em apenas alguns metros.

A próxima geração

Ao longo de dois anos, as equipes do SLAC instalaram uma fonte de elétrons de alto brilho de última geração e novos sistemas de compressão de feixes de elétrons para a produção de feixes intensos. Eles também atualizaram os sistemas de controle da instalação e instalaram ferramentas para analisar as propriedades do feixe.

FACET-II produzirá feixes de elétrons altamente energéticos como seu antecessor, mas com qualidade ainda melhor. A nova instalação usa um terço do SLAC linac - enviando elétrons da fonte em uma extremidade para a área experimental na outra extremidade - para gerar um feixe de elétrons com uma energia de 10 bilhões de elétronvolts. Seu design também permite que os pesquisadores adicionem a capacidade de produzir e acelerar pósitrons, o que permitiria aos pesquisadores obter mais informações sobre a aceleração do campo de vigília do plasma e informar o desenvolvimento de aceleradores de partículas elétron-pósitron baseados em plasma que aumentariam nossa compreensão das partículas e forças fundamentais da natureza.

"Se vamos usar a aceleração de plasma wakefield para fazer um colisor elétron-pósitron para física de alta energia, primeiro precisamos entender como acelerar pósitrons no plasma, "Hogan diz." O SLAC é o único laboratório com a infraestrutura necessária para fornecer feixes de pósitrons para essa pesquisa. Esperamos colocar esse recurso online nos próximos anos, que irá diferenciar o FACET-II de qualquer outra instalação no mundo. "

A instalação também ajudará os cientistas a projetar uma nova geração de fontes de luz, como lasers de raios-X mais brilhantes do que nunca, e levar a melhorias para os lasers de raio-X existentes, como LCLS. Essas poderosas máquinas de descoberta fornecem aos cientistas visões incomparáveis ​​do mundo atômico em constante mudança e abrem novos caminhos que vão da física de alta energia à medicina e fornecem benefícios potenciais para a pesquisa em materiais, ciências biológicas e energéticas.

"Ligar o FACET-II é como abrir uma porta que ninguém nunca olhou para trás, "diz o diretor do projeto Vitaly Yakimenko, Diretor da divisão FACET e vice-diretor científico da Divisão Accelerator do SLAC. "Ele produzirá feixes de elétrons cem vezes mais intensos do que qualquer coisa que veio antes e criará oportunidades científicas inteiramente novas."

Empurrando a inovação

Como uma facilidade de usuário DOE, O FACET-II funcionará cerca de seis meses por ano, entregando feixe para cerca de 25 experimentos e hospedando aproximadamente 250 pesquisadores de universidades, indústria e outros laboratórios nacionais.

Nos próximos meses, o comitê consultivo do programa FACET-II verificará a prontidão dos experimentos iniciais que foram escolhidos para o tempo de feixe e analisará uma segunda rodada de propostas para entrar na fila para a ciência futura. Até janeiro, as equipes trabalharão para colocar todas as peças do FACET-II online e obter o feixe com a energia e a qualidade certas. Conforme as equipes instalam um novo hardware experimental, os usuários trabalharão em paralelo para garantir que tudo esteja funcionando corretamente e captando os sinais corretos.

Nos primeiros experimentos, esperado para começar em fevereiro próximo, pesquisadores irão investigar maneiras de preservar a qualidade do feixe, melhorar as técnicas de aceleração de wakefield de plasma e gerar e acelerar pósitrons. Eles também desenvolverão o Cavalo de Tróia-II, uma atualização de uma técnica existente que pode produzir um feixe de elétrons intenso "infiltrando" elétrons no plasma.

O FACET-II também pode fornecer informações sobre física nova e inesperada, como explosões de raios gama, a forma mais energética de radiação eletromagnética, e eletrodinâmica quântica de campo forte (QED), Ambos desempenham um papel importante em fenômenos astrofísicos extremos, como raios cósmicos e estrelas em explosão.

Outros objetivos científicos incluem aceleradores wakefield compactos que usam certos isoladores elétricos em vez de plasma, bem como técnicas de aprendizado de máquina que irão medir e simular com precisão a física desses poderosos feixes de elétrons para ajudar os pesquisadores a compreender e controlar os feixes ultracurtos, aumentando a eficiência e produtividade científica dos programas de usuário.

"Nosso laboratório foi construído com tecnologia de acelerador e continua a impulsionar inovações no campo, "diz Bruce Dunham, chefe da Direcção de Aceleradores do SLAC. "FACET-II é uma instalação inovadora que nos ajudará a nos manter na vanguarda da ciência de aceleradores."