Pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) concluíram uma grande expansão de um dos sistemas a laser mais poderosos do mundo, criando novas oportunidades na pesquisa de aceleradores para o futuro da física de alta energia e outros campos. A expansão criou uma segunda linha de luz para o laser petawatt no Centro Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA), permitindo o desenvolvimento de aceleradores de partículas de próxima geração para aplicações em ciência, medicina, segurança e indústria. A segunda linha de luz entrou em operação neste verão e é o culminar de vários anos de planejamento, projeto e engenharia da BELLA e das equipes de engenharia.
"Estamos felizes em ver a construção concluída e muito ansiosos para começar a grande variedade de experimentos emocionantes que são possibilitados pela segunda linha de luz", disse Eric Esarey, diretor do BELLA Center.

Usando a luz para mover partículas

Os aceleradores tradicionais usam campos eletromagnéticos de radiofrequência para acelerar gradualmente as partículas em distâncias de dezenas de quilômetros e, como resultado, tendem a ser enormes e muito caros. Por exemplo, o Grande Colisor de Hádrons do CERN, o famoso acelerador internacional de partículas, acelera partículas ao longo de um caminho circular de mais de 16 milhas de comprimento, uma conquista monumental que custou bilhões de dólares para construir e operar.

No BELLA Center, os cientistas aceleram partículas carregadas com campos elétricos gerados por um laser de alta potência interagindo com um plasma, criando o que é conhecido como acelerador laser-plasma (LPA). A equipe usa um laser de um petawatt que produz um feixe de pulsos muito curtos ou "balas" de luz, uma por segundo, cada uma das quais é cerca de cem vezes mais poderosa que um relâmpago típico. Quando o feixe de laser passa pelo plasma (uma sopa de partículas carregadas semelhante a gás), ele cria uma onda em movimento, e uma partícula carregada colocada nessa onda é então impelida para a frente, como um surfista em uma onda do oceano. Essa abordagem "wakefield" pode produzir taxas de aceleração até mil vezes maiores do que os aceleradores convencionais, tornando os LPAs um candidato promissor para a próxima geração de aceleradores menores e mais baratos.

Uma ferramenta poderosa para o desenvolvimento de tecnologia de aceleradores

A segunda linha de luz foi projetada para ser altamente ajustável, capaz de produzir uma ampla gama de tamanhos de pontos de laser, com durações de pulso e energias de pulso que podem ser variadas independentemente. As duas linhas de luz devem ser usadas em conjunto, tornando o sistema uma ferramenta poderosa e versátil para o desenvolvimento de ciência e tecnologia de aceleradores. Para criar a nova linha de luz, a equipe separou uma parte do feixe de laser principal e passou por uma série de ópticas para gerar um segundo feixe de pulsos de luz curtos e poderosos que podem criar um segundo campo de vigília.

Em particular, o sistema foi projetado para permitir a visão da equipe de encenar vários módulos LPA para alcançar as altas energias de feixe de elétrons necessárias para colisores de partículas, usando o campo de vigília da segunda linha de luz para acelerar ainda mais as partículas que saem da primeira. Os experimentos iniciais para atingir esse objetivo estão em andamento. Em sua visão de longo prazo, a equipe propõe empilhar módulos adicionais movidos a laser para criar aceleradores de energias extremamente altas, permitindo a próxima geração de descobertas da física por uma fração do custo e tamanho.

Como exemplo, métodos para aumentar a eficiência energética dos LPAs também podem ser explorados com as linhas de luz duplas. O segundo pulso de laser de linha de luz pode ser configurado para absorver qualquer energia restante no primeiro plasma de linha de luz que não seja utilizada pelo processo de aceleração e então enviada para um sistema de recuperação de energia. Marlene Turner, cientista do BELLA Center, recebeu um prestigioso prêmio de início de carreira do DOE por trabalhar neste conceito. "Sem a segunda linha de luz, minha pesquisa, que visa diminuir o consumo de energia e o impacto ambiental de futuros colisores de plasma, não seria possível", disse Turner.

As linhas de luz duplas também podem ser usadas em outras configurações. Por exemplo, a segunda linha de luz pode ser usada para acelerar partículas para dispersar as da primeira linha de luz, permitindo que os físicos investiguem a física exótica que surge.

"A precisão que essas duas linhas de luz de laser trazem, combinando tempo de femtosegundo e precisão espacial em escala micro, é sem precedentes nos níveis de potência de pico da classe petawatt e permitirá experimentos no estágio LPA, bem como outros avanços na aceleração do plasma, como a adaptação a laser de estruturas de aceleração de plasma, métodos de injeção de partículas baseados em laser, produção de fótons de alta energia por espalhamento de laser e estudos fundamentais em eletrodinâmica quântica de alto campo ", disse Tony Gonsalves, cientista principal da equipe BELLA petawatt. "É um grande negócio."

O poder da ciência em equipe

O Berkeley Lab é conhecido como uma potência da ciência de equipe, e este novo projeto BELLA exemplificou esse ethos. A qualquer momento, a equipe principal que trabalha neste projeto inclui de dez a quinze engenheiros mecânicos, engenheiros elétricos e cientistas de pesquisa, bem como um elenco rotativo de outros participantes importantes, incluindo especialistas em segurança radiológica e engenheiros sísmicos. Isso garantiu que a atualização de duas linhas de feixe de laser não apenas criasse ciência de última geração, mas fosse executada de maneira segura, bem projetada e durável que permitirá a produtividade contínua por muitos anos.

A equipe encontrou seu quinhão de desafios devido à pandemia do COVID-19, que fechou temporariamente suas instalações. Após a reabertura, a equipe teve que trabalhar em turnos, usando um sistema de bilhética para manter a densidade segura de trabalhadores. Apenas trazer uma equipe de engenheiros franceses para instalar uma câmara de compressor levou quase um ano devido a restrições relacionadas à pandemia.

"Tem sido um longo caminho para fazer isso acontecer, e um caminho muito mais longo por causa do COVID", disse Gonsalves. "Se você contar quantas pessoas tocaram neste projeto, seria um número muito grande. Temos sorte de ter essa impressionante infra-estrutura de pessoas no laboratório para tornar um projeto como este possível."

Física exótica e aplicações cotidianas

Os colisores de partículas são ferramentas de descoberta que os cientistas usam para sondar a estrutura da matéria, esmagando partículas com energia suficiente para separá-las, ajudando-nos a entender do que o universo é feito e as forças que o mantêm unido. O objetivo final da nova linha de luz é desenvolver uma nova tecnologia de acelerador que permitirá que os colisores alcancem energias mais altas. Essas questões vão muito além de examinar a matéria visível, que na verdade compõe uma pequena fração do universo. Há cinco vezes mais matéria escura invisível no universo do que matéria visível, e aceleradores de energia mais alta podem ser capazes de produzir partículas pesadas de matéria escura para que suas propriedades possam ser estudadas.

O campo da segurança nacional também está prestando atenção a esses desenvolvimentos na nova tecnologia de aceleradores. As tecnologias atuais para triagem de materiais nucleares nos portos, para tratados nucleares e outras aplicações, são limitadas em precisão. A tecnologia de acelerador baseado em laser, no entanto, poderia ser usada para produzir os raios gama ajustáveis ​​ou múons de alta energia necessários para detectar com precisão compostos nucleares ou outros materiais, e a tecnologia poderia caber em uma unidade pequena e portátil.

Estudos básicos em ciência de materiais também se beneficiariam muito com o desenvolvimento de fontes compactas de luz de comprimento de onda curto, como raios-X, acionadas por LPAs. Como o LPA produz intrinsecamente feixes de elétrons curtos, da ordem de femtossegundos, eles são ideais para sondar materiais em escalas de tempo ultrarrápidas.

Outra aplicação empolgante da aceleração do laser é na radioterapia do câncer, onde a comunidade médica está descobrindo que doses mais curtas de radiação mais forte causam menos danos aos tecidos saudáveis, conhecido como "efeito flash". Esses sistemas a laser podem revolucionar a radioterapia.

"Estou muito animado para ver a grande variedade de ciência e aplicações que são habilitadas pela segunda linha de luz BELLA. Elas são transversais e podem impactar uma série de programas no Office of Science, no Departamento de Defesa, nos Institutos Nacionais de Saúde, bem como na indústria", disse Cameron Geddes, Diretor de Tecnologia de Aceleradores e Divisão de Física Aplicada do Berkeley Lab. + Explorar mais

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