"Lazerio" tyrimai ir taikomoji veikla orientuojasi į kitų dalelių dalelių susidūrimą

Anonim

"Lawrence Berkeley National Laboratory" (Berkeley Lab) departamento Energetikos departamento (DOE) naujųjų lazerinių sistemų ir siūlomų patobulinimų rinkinys paskatins ilgesnius planus dėl kompaktiškesnio ir nebrangesnio ultravioletinių energijos dalelių.

Šių lazerinių sistemų ir lazeriu veikiančių greitintuvų progresas taip pat gali suteikti daugybę iššūkių, tokių kaip naujas įrankis, skirtas medžioti radioaktyvias medžiagas, ir miniatiūrinė ir gerai suderinta laisvųjų elektronų lazerinė sistema, leidžianti įvairius mokslinius eksperimentus.

Šios pastangos yra aprašytos DOE finansuojamoje seminaro ataskaitoje, kurioje daugiausia dėmesio skiriama dešimties metų kelių žemėlapių rinkiniui, skirtui pradėti mokslinius tyrimus ir taikomąją veiklą, kuriančią naujos kartos dalelių piliuterį didelės energijos fizikai. Galutinis tikslas yra mašina, galinti ištirti fiziką, kuri nepasiekiama CERN Didžiojo Hadrono Collider (LHC). Šiandienos galingiausias koliažeris, LHC leido atrasti Higso bosoną, dėl kurio atsirado 2013 m. Nobelio premija fizikoje.

LHC, kurio pagrindinis žiedas yra 17 mylių perimetru, susiduria su protonais-subatominiais daleliais, išsiskiriančiais nuo atomų centro, kai susiduria energija iki 13 trilijonų elektronų (13 TeV).

Tuo tarpu pasiūlymai dėl naujos kartos linijinių koleraderių susidūrė su elektronų ir jų dalelėmis, positronais, mažesnėmis energijomis - nuo kelių šimtų milijardų elektronų (GeV) iki kelių TeV. Nors šių mašinų susidūrimų energija būtų mažesnė nei LHC, jų elektronų-positronų susidūrimų fizika būtų viena kitą papildanti, leidžianti konkretesnius detalius kai kurių dalelių savybių ir reiškinių matavimus.

TeV lygmens elektronų-positronų koliažerio sukūrimas naudojant šiuolaikines greitintuvo technologijas yra įmanomas, tačiau jis bus brangus dėl didelio jo dydžio (galimas jo pėdsakas būtų didesnis nei 20 mylių).

Siekdama sumažinti naujos kartos koleraderio apimtį ir susijusias išlaidas, Didžiosios energijos fizikos biuras, esantis DOE mokslo biure, sukūrė daugiau nei dvylika ekspertų iš DOE ir visoje šalyje, kad parengtų pažangiosios spartinančiosios plėtros strategijos ataskaitą, kurioje teigiama, kad nustato tikslus trims potencialiai besikeičiančioms greitintuvo technologijoms per ateinančius 10 metų.

Be kitų rekomendacijų, ataskaitoje pabrėžiama, kad BELLA, Berkeley Lab Laser Accelerator, kuri yra pagrįsta viena iš šių trijų technologijų: lazeriu valdomo plazminio lauko greitintuvo (LWFA) tyrimai. Ši pagreičio forma naudoja lazerį arba lazerius, kad pagreitintų elektronų į didelę energiją.

Keletas kitų dviejų "wakefield" pagreičio koncepcijų: viena, skirta greitintuvui su dalelės spinduliais, kitas - dielektrinio "wakefield" greitintuvo - yra taip pat įtrauktos į kelių žemėlapį.

Kuriami kiti greitėjimo metodai, kurie nepatenka į ataskaitos taikymo sritį, įskaitant CERN pagrįstą mokslinių tyrimų ir technologijų plėtros pastangą, vadinamą AWAKE, kuria siekiama ištirti protonų pavaros plazmos "Wakefield" pagreitį.

Ataskaitoje patvirtintame naujame požiūriu į dalelių pagreitį siūlomi galimi būdai susilpninti didelio energijos elementų greitintuvus, sukuriant kompaktiškas, tankias plazmos bangas, suformuotas karštose ir labai įkrautose dujose, kurios sparčiai pagreitina tiksliai išsidėsčiusių elektronų ryšius, tokius kaip banglentininkas apie vandenynų bangą.

"BELLA" mokslininkai jau parodė modulinę LWFA konfigūraciją, kad pasiektų didelę energiją, ir dabar stengiasi tobulinti. Ataskaitoje pateiktas artimiausio laikotarpio tikslas yra pasiekti elektronų spindulių energiją 10 GeV, palyginti su dabartine BELLA dabartine pasaulio rekordu - 4, 3 GeV.

"Kai turėsime 10 GeV spindulių, tai atvers visiškai naują dalyką. Tai bus didelis žingsnis į priekį", - sakė "Lab's Accelerator Technology & Applied Physics Division" direktorius Wim Leemans. 10 GeV tikslas yra reikšmingas, nes jis yra energijos slenkstis generuojant didelio krūvio pozitronines sijas, kurios būtų reikalingos naujos kartos koliažeriui.

"LWFA" kelių planas, sakė "Leemans", "suteikia mums inkarą visoje greitintuvo programoje", išdėstytą DOE nacionalinės laboratorijos komplekse.

BELLA komanda siekia dviejų skirtingų metodų, norint pasiekti šį 10 GHz tikslą: vieno greitintuvo etapo nustatymą naudojant vieną lazerį ir dviejų etapų metodą su dviem atskirais lazeriais.

Pirmasis etapas padidins elektronų spindulių energiją iki 5 GeV, o antrasis etapas pagreitins spindulį papildomai 5 GeV iki 10 GeV. Antroji "BELLA" šviesos diodų linija, skirta dviejų žibintų įrengimui, galėtų būti sukurta iki 2018 m. Pabaigos, kaip nurodyta kelių žemėlapio ataskaitoje, jei yra finansavimo.

Ataskaitoje pažymima, kad, be pažangos greitintuvo technologijų srityje, taip pat turi būti naujos lazerių technologijų ir papildomos įrangos, tokios kaip veidrodžiai, kūrimas, siekiant įgyvendinti šį naujo tipo koliažerį.

"BELLA" šiuo metu naudoja titano titano turinčius safyro kristalus, kurie gamina savo lazerio šviesą. Norint pasiekti daug didesnės energijos ir vidutinės spindulių galios, DOE ataskaitoje rekomenduojama naudoti kitų tipų lazerius, tokius kaip šviesolaidžiai, kietosios būsenos ar anglies dioksido lazeriai.

Pagrindinis "BELLA" technologijos iššūkis - greičiau pagreitinti jo impulsus nuo dabartinės normos maždaug 1 impulso per sekundę iki maždaug 1000 kadrų per sekundę greičio arba 1 kilohercų (būsimoje plėtrai vadinama "K-BELLA")

Galų gale pulso dažnis 10 000 arba 100 000 per sekundę idealiai tinka naujos kartos koliažeriui, sakė Carl Schroeder, Berkeley Lab vyresnysis mokslininkas, kuris vadovauja teorinėms ir modeliavimo pastangoms bandant BELLA ir šiuo metu dirba su konceptualiais projektais ir modeliavimu LWFA koladeris.

Jei pastangos sėkmingai įgyvendinti mokslinių tyrimų ir taikomosios veiklos sritį, BELLA didžiausias energijos kiekis turėtų būti pakankamas, kad pasiektų 10 GHz pagreitėjimo etapą, sakė Anthony Gonsalves, Berkeley Lab darbuotojas, dirbantis BELLA. "Mes turime daug vietos" tanke ", yra daug energijos, kad mes dar neištyrėme."

Be to, siekdama sukurti vienos ir dviejų krypčių artėjimą prie 10 GHz LWFA, laboratorija sukūrė naują, kompaktišką laisvojo elektrono lazerio (FEL) ir atskiro nešiojamojo gama spindulių šaltinio formą, gali būti pirmoji svarbi LWFA technologija, jei pastangos taps sėkmingos.

FELs yra labai sureguliuoti šviesos šaltiniai, kurie gali padėti ištirti medžiagą iki atominių ir molekulinių svarstyklių su ultravioletiniais impulsais, išmatuotais femtosekundėmis, arba sekundės kvadrilijonais. Projektas "FEL" siekia miniatiūrizuoti rentgeno spindulių kineskopus, pakeičiant kilometrų ilgio įprastą pagreitinančią struktūrą, kai "Wakefield" greitintuvo ilgis mažesnis nei 10 metrų.

Tuo tarpu plazminis gama spindulių šaltinis gali būti naudinga ir nešiojama branduolinių medžiagų aptikimo priemonė.

Schroederis sakė: "FEL ir gama spindulių šaltinis pripažįstami kaip ankstyvasis šios technologijos pritaikymas. Šių žiemų eksploatacija bus atliekama šių eksperimentų lazerinių sistemų.

"Gairėse pateikiama turtinga programa kitam dešimtmečiui", pridūrė "Leemans". "Pagrindinės sąvokos yra kuriamos atsižvelgiant į būsimus plazmos kolektorius, o BELLA su atnaujinimais leis išbandyti ir tobulinti daugelį šių koncepcijų."

menu
menu