A 7,5 metros abaixo do solo, o cientista do Laboratório Nacional de Aceleradores do SLAC, Spencer Gessner, abre uma grande cesta de piquenique de metal. Esta não é a típica cesta de piquenique cheia de queijo, pão e frutas – ela contém parafusos, cavilhas, tubos de aço e muitas outras peças e peças que transportam partículas quase à velocidade da luz. Os componentes são organizados precisamente para realizar um trabalho importante:ajudar a alimentar grupos de elétrons em movimento rápido na matéria de que o Sol é feito:o plasma.



“Estamos tentando construir a próxima geração de aceleradores de partículas pequenos e poderosos aqui”, diz Gessner. "O objetivo é empurrar partículas para energias mais altas em distâncias mais curtas. Isso poderia ajudar a projetar aceleradores compactos que cabem dentro de um laboratório universitário ou hospital - ou ser uma opção para um acelerador de partículas de alta energia no futuro."

Gessner e muitos outros pesquisadores do SLAC e de todo o mundo querem tornar os futuros aceleradores 100 a 1.000 vezes menores do que os aceleradores tradicionais. O objetivo não é necessariamente substituir as instalações de aceleradores mais poderosas do mundo, mas sim fornecer uma nova opção para pessoas e lugares que procuram acesso à ciência dos aceleradores e, potencialmente, melhorar os aceleradores de última geração existentes. Por exemplo, lasers de elétrons livres (XFELs) de raios X menores e menos potentes poderiam ser uma ferramenta científica avançada para explorar a matéria em escala atômica nas mãos de muito mais cientistas.

Gessner trabalha no Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests II (FACET-II) do SLAC, que se concentra principalmente em uma técnica chamada aceleração de wakefield de plasma. Na aceleração do campo de despertar do plasma, os pesquisadores enviam feixes de partículas através do plasma – um gás ionizado extremamente quente que geralmente é feito de íons de hélio ou hidrogênio, como o sol.

"Quando o feixe atravessa o plasma, é criada uma esteira - semelhante à que é criada atrás de um barco que atravessa a água de um lago", disse Gessner. "Podemos então injetar elétrons na esteira do plasma e essas partículas viajam na onda, atingindo energias mais altas em distâncias mais curtas."

O FACET-II usa parte do acelerador linear de três quilômetros do SLAC para gerar esses feixes de elétrons. No seu auge, os feixes são tão intensos que nenhum material consegue suportá-los. Os campos extremos do feixe arrancariam elétrons dos átomos e vaporizariam instantaneamente qualquer material no caminho do feixe. A solução é começar primeiro com um plasma, que elimina as limitações dos materiais convencionais e permite uma aceleração muito elevada.

Mas empurrar partículas para energias extremamente altas em distâncias mais curtas traz muitos problemas desafiadores. Os pesquisadores continuam avançando para resolver esses problemas e transformar o que pode parecer ficção científica em realidade.

Pesquisa sobre aceleração de plasma, passada e futura

O trabalho experimental de aceleração de wakefield de plasma começou no SLAC há cerca de vinte anos, embora o conceito geral tenha sido discutido em artigos desde o final dos anos 1970 e início dos anos 1980. Existem três tipos principais de pesquisa de campos de despertar de plasma em andamento em todo o mundo, agrupados pela fonte de energia que cria a esteira:um feixe de elétrons, um feixe de laser de alta potência ou um feixe de prótons.

Uma das primeiras questões que os investigadores tiveram de responder foi se era mesmo possível tornar a ideia teórica dos campos de despertar de plasma uma realidade no laboratório, disse o diretor do FACET-II, Mark Hogan. Os investigadores conseguiram realizar esta tarefa no SLAC no final da década de 1990 e foram os primeiros a quebrar a barreira GeV, que é o nível de energia normalmente associado apenas a instalações de grande escala. Eles pegaram um punhado de elétrons e os aceleraram com energias muito altas usando campos de despertar de plasma.

Hogan disse que os pesquisadores enfrentaram então a próxima grande questão:como passar de um punhado de partículas com uma ampla faixa de energia para um feixe de partículas com uma distribuição de energia relativamente baixa. Isso significa garantir que os elétrons não estejam espalhados por todo o lado em um acelerador, mas, em vez disso, viajem juntos em um pacote compacto. Os pesquisadores realizaram essa tarefa na década de 2010 no FACET, a instalação anterior ao FACET-II, disse Hogan.

"Portanto, agora a questão para o FACET-II é:você pode fazer todas essas coisas ao mesmo tempo - aproveitar os grandes campos para produzir feixes de alta energia com baixa propagação de energia - e também produzir um feixe de alta qualidade em distâncias mais longas", disse Hogan. . "Esta é uma questão chave que estamos a investigar neste momento no FACET-II:podemos preservar a qualidade dos feixes de electrões à medida que aumentamos a sua energia muito rapidamente ao longo de distâncias significativas?"

Olhando ainda mais adiante, os cientistas precisarão descobrir como unir muitas seções do acelerador de plasma para alcançar as energias incrivelmente altas necessárias para a futura física de partículas do colisor. "Enquanto para construir um XFEL que depende da aceleração do campo de despertar do plasma, você pode precisar apenas de um estágio de plasma, para atingir a energia do nível do colisor de partículas, você precisa de muitos estágios", disse Hogan.

Controlando o brilho do feixe

No início deste ano, uma equipe do SLAC, da Universidade de Strathclyde e de outras instituições deu um grande passo na pesquisa de aceleração de campo de despertar de plasma. Eles desenvolveram uma simulação computacional que mostrou como um acelerador de plasma pode gerar feixes de elétrons precisos e de alta qualidade, controlando o brilho de um feixe.

Gerenciar o brilho do feixe é um desafio porque existem três valores de parâmetros principais que mudam substancialmente ao longo do caminho que as partículas percorrem. O modelo da equipe mostrou como otimizar esses parâmetros desde o início do experimento, quando o feixe ainda está no plasma.

Especificamente, a equipe de pesquisa calculou como gerenciar o brilho dos elétrons controlando a corrente do feixe, que descreve quantos elétrons compõem o feixe; emitância, que é como os elétrons se espalham à medida que se propagam pelo espaço; e propagação de energia, que descreve a faixa de velocidades dos elétrons. Eles publicaram seus resultados na Nature Communications .

"Com este modelo, podemos testar como melhorar a emissão e o brilho do feixe de elétrons em nosso design compacto, talvez em ordens de grandeza", disse Hogan, coautor do artigo. "Extrair feixes de elétrons de aceleradores de plasma preservando sua qualidade é crucial para nossa missão de física de altas energias, bem como para a ciência dos raios X."

No futuro, os pesquisadores tentarão construir configurações híbridas de um XFEL compacto – uma versão que poderá permitir a interação entre múltiplos pulsos de laser de raios X e feixes ultrabrilhantes. O FACET-II pode ser o local para testar estas ideias híbridas, agora que o quadro de simulação do início ao fim está estabelecido, disseram os investigadores.

Definindo um cenário longo

Outro avanço na pesquisa de aceleração de wakefield de plasma ocorreu recentemente, quando pesquisadores mostraram como unir estágios de aceleradores de plasma para fazer um acelerador mais longo e mais poderoso. Este tipo de acelerador poderá ser usado no futuro para criar feixes de energia extremamente alta em um colisor de partículas.

A equipe de pesquisa, que incluiu o cientista do SLAC Alexander Knetsch e pesquisadores do Instituto Politécnico de Paris e outras intuições, mostrou como usar múltiplos feixes de acionamento para manter a qualidade do feixe e aumentar a energia.

Em seu método, um feixe condutor atravessa o plasma, criando uma esteira – a ideia padrão na aceleração do campo de esteira do plasma. Atrás desse feixe de acionamento segue o feixe de elétrons primário, chamado feixe de arrasto, que será levado a altas energias para experimentos – novamente, a abordagem padrão. Mas com o tempo, o feixe de transmissão perde energia – como um ciclista líder perdendo energia depois de lutar contra o vento para os ciclistas atrás. A equipe de pesquisa, portanto, mostrou como substituir o feixe de transmissão antigo e cansado por um feixe de transmissão novo e novo. Esta técnica ajuda o feixe de elétrons a continuar ganhando energia.

No entanto, trocar a viga motriz antiga por uma nova é mais difícil do que trocar um ciclista líder em uma corrida de bicicleta. O antigo feixe de transmissão ainda se move quase à velocidade da luz, então, para fazer a troca, o método usa ímãs dipolo que formam uma chicane – ou seja, duas estradas, uma mais longa que a outra, que se encontram após a separação. Chicanes permitem que o feixe motriz se mova para fora do caminho enquanto o feixe traseiro continua com um novo feixe motriz.

Além disso, os pesquisadores mostraram como transportar esse pacote de feixes através de cada estágio de plasma usando lentes de foco que ajudam o feixe traseiro a permanecer no caminho enquanto ocorrem as trocas do feixe de transmissão. Os pesquisadores publicaram um artigo descrevendo a ideia em setembro na revista Physical Review Letters. .

Outra ideia de acelerador compacto

Junto com a aceleração do campo de despertar do plasma, os pesquisadores têm outras ideias sobre maneiras de acelerar partículas em distâncias mais curtas. Uma dessas ideias será construída na Arizona State University (ASU) com a colaboração de Emilio Nanni do SLAC e outros. O projeto usa lasers – em vez de apenas ímãs – para movimentar elétrons dentro de um XFEL para produzir raios X poderosos necessários para experimentos.

Nos XFELs tradicionais, ímãs fortes movimentam um feixe de partículas para gerar raios X. A linha de ímãs pode ser longa, o que significa que o comprimento total do FEL será longo. Mas e se um FEL não precisasse de uma linha completa de ímãs para fazer as partículas dançarem e emitirem radiação de raios X? Esta é a questão que ajudou a conceber o XFEL compacto, que utiliza um feixe de laser para atingir o feixe de partículas, ajudando o feixe a oscilar e a produzir raios X poderosos. Os lasers significam que menos ímãs wiggler podem ser necessários, resultando em um FEL geral mais curto se a ideia funcionar na prática.

O XFEL compacto será construído nos próximos cinco anos no campus da ASU Tempe. Construir aceleradores pequenos e mais compactos é bom para a ciência, disseram os pesquisadores. Isso significa que mais pessoas e lugares podem acessar aceleradores de partículas, que têm sido uma das ferramentas mais importantes da ciência nos últimos 100 anos.

O fim da linha

De volta ao túnel do acelerador, Spencer Gessner fecha a tampa da cesta de piquenique e caminha em direção a uma longa mesa. Aqui, o colega cientista do SLAC, Doug Storey, trabalha em um laptop, revisando dados de desempenho do feixe. A tabela é chamada de tabela de despejo de feixe e é a principal área de diagnóstico pós-plasma para medir o que aconteceu ao feixe de elétrons após a aceleração do campo de despertar do plasma, disse Storey.

“Esta mesa é onde a borracha encontra a estrada, por assim dizer”, disse ele. "Ele possui uma série de câmeras de diagnóstico, que medem os principais parâmetros necessários para a demonstração bem-sucedida da aceleração do campo de despertar do plasma."

As câmeras sobre a mesa parecem sinais de parada em um cruzamento. Eles são montados em hastes e voltados em direções diferentes, cada um coletando diferentes tipos de dados sobre a energia do feixe acelerado com precisão de uma pequena fração de um por cento e o tamanho do ponto do feixe com menos de alguns micrômetros, que são indicadores-chave do brilho do feixe. , Storey disse. Além disso, algumas das câmeras visualizam os raios X e os raios gama que são produzidos quando o feixe viaja através do plasma. Esta informação ajuda os cientistas a compreender como melhorar a qualidade da aceleração do plasma, disse Storey.

Storey olha para seu laptop e começa a trabalhar novamente. Gessner passa por ele, voltando ao início das instalações. Ele lidera o caminho para sair do acelerador, onde a próxima geração de aceleradores menores e mais potentes está assando.

Informações do diário: Cartas de revisão física , Comunicações da Natureza

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC