Um acelerador de elétrons acionado por laser emite feixes de Elétrons de 10 GeV – uma abordagem que poderia levar a alternativas mais baratas e compactas para fontes de raios X e aceleradores de partículas em grande escala.
A. Gonçalves/LBNL
Figura 1: Fotografia do canal de plasma gerado a laser usado para a demonstração do acelerador de campo de despertar a laser de 10 GeV da BELLA (1).
A. Gonçalves/LBNL
Figura 1: Fotografia do canal de plasma gerado a laser usado para a demonstração do acelerador de campo de despertar a laser de 10 GeV da BELLA (1).
Feixes de feixes de elétrons acelerados para energias de 10 GeV e superiores poderiam beneficiar muitas aplicações científicas, desde fontes de radiação de raios X até colisores elétron-pósitron. A produção de tais feixes normalmente requer infraestruturas científicas de grande escala. Mesmo com a tecnologia mais avançada de hoje – envolvendo cavidades de radiofrequência – são necessários aceleradores com mais de 100 m para atingir essas energias de elétrons. Mas os cientistas estão a desenvolver uma abordagem alternativa promissora, na qual pulsos de laser curtos e intensos são usados para acelerar elétrons num plasma. Tais esquemas de “campo de despertar a laser” já alcançaram energias multi-GeV, mas as demonstrações de energia mais alta não possuíam a controlabilidade e a qualidade exigidas para as aplicações mencionadas acima. Agora, Alex Picksley, do BELLA Middle do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, Califórnia, e colaboradores demonstraram feixes de elétrons controláveis em energias próximas a ten GeV (1) (veja também Podcast: um marco na aceleração do laser-plasma). A façanha foi possível combinando a aceleração de partículas de plasma-wakefield com propagação de laser guiada em canais criados por um laser em plasma (2–4). Os resultados são um bom presságio para a realização de dispositivos compactos – em specific, fontes de raios X – baseados em elétrons acelerados por laser.
Os wakefields de plasma são criados por intensos pulsos de laser que se propagam em um plasma. Os pulsos separam os elétrons dos íons do plasma, criando ondas de densidade de carga na sequência dos pulsos. Essas ondas podem criar campos elétricos com intensidades da ordem de 100 GeV/m, que podem acelerar feixes de partículas carregadas enquanto mantêm os feixes focados (5). A equipe BELLA tem avançado progressivamente nesta técnica, alcançando, dentro de um único estágio de plasma, energias de feixe de elétrons cada vez mais altas: 0,1 GeV em 2004, 1 GeV em 2006 (6), 4,2 GeV em 2014 (ver Ponto de Vista: Poder para os Elétrons) (7), 7,8 GeV em 2019 (8), e agora, em colaboração com o grupo de Howard Milchberg na Universidade de Maryland, School Park, 9,2 GeV (1).
Para excitar um campo de despertar de plasma, a intensidade do pulso de laser deve ser extremamente alta (acima de 10).18C/cm2), o que pode ser alcançado focando firmemente um pulso curto (menos de 1 ps). No entanto, um pulso focado diverge naturalmente além do ponto focal, levando a uma queda de intensidade que reduz a eficiência da aceleração. Em princípio, pulsos de laser intensos podem “auto-guiar-se”: à medida que se propagam em um plasma, eles alteram seu índice de refração de modo que o plasma atue como um guia de ondas. Este processo, no entanto, é difícil de controlar e requer energias de laser extremamente altas nas baixas densidades de plasma necessárias para aceleradores de campo de despertar de laser de alta energia. Uma abordagem mais confiável é usar canais de plasma – configurações de plasma que possuem um índice de refração radialmente variável, muito parecido com lentes ou fibras ópticas. Esses canais neutralizam a divergência pure do pulso e permitem a condução sustentada do wakefield por longas distâncias. E como são formados a partir de plasma, podem suportar altas intensidades de laser sem serem danificados, ao contrário da maioria dos materiais.
Canais de plasma podem ser criados produzindo descargas elétricas em um plasma ou aquecendo-o com lasers. As demonstrações anteriores foram limitadas na capacidade de atingir valores adequados para a força de focagem do canal e para outros parâmetros do canal, especialmente nas baixas densidades de plasma relevantes para a aceleração do campo de despertar. Para um desempenho excellent, o efeito de orientação do canal deve equilibrar exatamente a tendência de divergência do pulso do laser, uma condição conhecida como orientação combinada. Sem esse equilíbrio, o perfil de intensidade do laser oscilaria ao longo do plasma, reduzindo a eficiência da aceleração e degradando a qualidade do feixe.
Figura 2: Esquema da configuração da BELLA. O feixe formador de canal de 1,3-J cria uma estrutura guia em uma camada de gás supersônico (canal HOFI). Os canais guiam o feixe de transmissão de 21,3 J que permite a aceleração de elétrons até 9,2 GeV.
Figura 2: Esquema da configuração da BELLA. O feixe formador de canal de 1,3-J cria uma estrutura guia em uma camada de gás supersônico (canal HOFI). Os canais guiam o feixe de transmissão de 21,3 J que permite a aceleração de elétrons até 9,2 GeV.
Os pesquisadores alcançaram uma orientação correspondente usando canais de plasma “ionizados por campo óptico hidrodinâmico” (HOFI) (Fig. 1) e explorando diagnósticos de última geração. Os canais HOFI são criados por um laser de pulso curto que aquece os elétrons do plasma e induz um choque hidrodinâmico, causando uma rápida expansão do plasma. A expansão produz a densidade eletrônica variável radialmente necessária para uma orientação correspondente. Trabalhos recentes mostraram que este método não funciona apenas para densidades de plasma relevantes para esquemas de campo de despertar a laser, mas também oferece sintonia excepcional e suporta uma gama mais ampla de parâmetros de canal do que outras técnicas. A instalação de laser de petawatts da BELLA é bem adequada para esta abordagem, com uma primeira linha de feixe produzindo o feixe principal para aceleração de wakefield e uma segunda linha de feixe recentemente instalada fornecendo pulsos curtos de nível de joule necessários para criar os canais de plasma orientadores (Fig. 2).
No início deste ano, Aniculaesei e colaboradores relataram a aceleração para 10 GeV de feixes de elétrons com carga de até 0,34 pC (9). Essa demonstração, que utilizou 118 J de energia em cada pulso de acionamento do laser, foi realizada sem canal de plasma e por meio de uma combinação complexa de mecanismos de aceleração. Usando apenas 21,3 J no pulso de acionamento – uma redução de cinco vezes no investimento em energia – Picksley e colegas de trabalho alcançaram grupos de elétrons de energias semelhantes, mas com uma carga significativamente maior (3 unidades). Além do mais, como apenas um único mecanismo de aceleração está envolvido, o novo processo é mais fácil de controlar. Esse recurso é necessário para a produção futura de feixes de alta qualidade e alta carga.
Os novos resultados mostram que as energias do grupo de elétrons necessárias para fontes compactas de raios X – incluindo fontes Thomson e lasers de elétrons livres de raios X – podem ser alcançadas em um único estágio de aceleração de campo de despertar de plasma, totalmente plasma, acionado por laser. A construção de máquinas práticas exigirá progresso em vários fatores, incluindo a qualidade do feixe e a taxa de repetição. Enquanto o esquema demonstrado funciona a uma taxa de repetição de 1 Hz (1 pulso por segundo), a abordagem do canal de plasma foi demonstrada até 1 kHz (10). A adequação para taxas mais altas é uma grande vantagem em relação às técnicas concorrentes: os canais de plasma são renovados a cada pulso e o calor restante pode ser transportado de forma eficiente. O grupo BELLA já está liderando o desenvolvimento da tecnologia laser necessária com a próxima atualização em quilohertz do BELLA, chamada k-BELLA (um nome que evoca a expressão italiana para “que beleza!”).
Alcançar os níveis de energia necessários para a aplicação mais ambiciosa de campos de laser, um colisor elétron-pósitron de 10 TeV, continua sendo uma meta de longo prazo. Será necessário conectar vários estágios de plasma de 10 GeV, bem como demonstrar atualizações substanciais de vários componentes do colisor. Os trabalhos centrar-se-ão na integração de vários componentes do dispositivo num esquema único e compacto: injetores baseados em plasma para produção de feixes de alta qualidade, sistemas óticos de plasma para manipulação de feixes, espelhos de plasma para acoplamento eficiente de impulsos laser entre fases de aceleração e sistemas de energia baseados em plasma. -sistemas de recuperação para otimização da eficiência energética. Se esses esforços forem bem-sucedidos, a tecnologia laser-wakefield poderá oferecer uma alternativa atraente e mais barata aos aceleradores convencionais de alta energia.
Referências
A. Picksley e outros.“Injeção controlada e orientada combinada em aceleradores de plasma a laser guiados por canal, classe 10 GeV, livres de corrente escura,” Física. Rev.133255001 (2024).
JE Shrock e outros.“Evolução de modo guiado e injeção de ionização em aceleradores de wakefield a laser multi-GeV em escala métrica,” Física. Rev.133045002 (2024).
RJ Shaloo e outros.“Canais de plasma ionizados por campo óptico hidrodinâmico,” Física. Rev.97053203 (2018).
A. Picksley e outros.“Canais de plasma ionizados em campo óptico hidrodinâmico condicionados em escala de metro,” Física. Rev.102053201 (2020).
WP Leemans e outros.“Feixes de elétrons multi-GeV de pulsos de laser subpetawatts guiados por descarga capilar no regime de auto-armadilhamento,” Física. Rev.113245002 (2014).
A. J. Gonçalves e outros.“Guia de laser Petawatt e aceleração de feixe de elétrons para 8 GeV em um guia de onda de descarga capilar aquecido a laser,” Física. Rev.122084801 (2019).
C. Aniculaesei e outros.“A aceleração de um grupo de elétrons de alta carga para 10 GeV em um acelerador de campo de wakefield assistido por nanopartículas de 10 cm,” Matéria Radiada. Extremos9 (2023).
A.Alejo e outros.“Demonstração da operação em quilohertz de canais de plasma ionizados em campo óptico hidrodinâmico,” Física. Rev. Vigas25011301 (2022).
Sobre o autor
Marlene Turner é cientista da equipe do CERN na Suíça e coordenadora experimental do experimento AWAKE, um projeto de pesquisa e desenvolvimento sobre aceleração de campo de vigília de plasma acionada por feixe de prótons. Em 2023, ela foi reconhecida com o Prêmio Simon van der Meer por suas contribuições para a aceleração do campo de despertar de plasma acionado por laser e feixe. A Turner está profundamente comprometida com o avanço de tecnologias de aceleradores sustentáveis e com a promoção da comunicação científica.
A. Picksley, J. Stackhouse, C. Benedetti, Ok. Nakamura, HE Tsai, R. Li, B. Miao, JE Shrock, E. Rockafellow, HM Milchberg, CB Schroeder, J. van Tilborg, E. Esarey, C. G. R. Geddes e AJ Gonsalves
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