Cinq fois plus puissant que les prédécesseurs

Les scientifiques ont créé un faisceau d’électrons ultrads avec cinq fois plus de courant de pointe que tout autre faisceau similaire sur Terre.

Décrit dans un papier publié dans Lettres d’examen physiquecette réalisation aborde l’un des grands défis de l’accélérateur de particules et de la physique du faisceau et ouvre la porte à de nouvelles découvertes dans un vaste domaine de domaines scientifiques, notamment la chimie quantique, l’astrophysique et la science des matériaux.

« Non seulement nous pouvons créer un faisceau d’électrons aussi puissant, mais nous sommes également en mesure de contrôler le faisceau de manière personnalisable et à la demande, ce qui signifie que nous pouvons sonder une gamme beaucoup plus large de phénomènes physiques et chimiques que jamais », a déclaré Claudio Emma, ​​un scientifique du ministère de la Slac National Accelerator Laboratory, qui est un chercheur de Slector Advanced Accelerator Experimental Tespersal (FacEt-ii) pour un accélérateur Advedat sur la nouvelle étude.

L’équilibre électrique

Comme indiqué dans le Accélérateur et feuille de route de la physique des faisceaux Publié en 2022, l’un des plus grands défis pour les physiciens – jusqu’à présent – a été de produire des faisceaux d’électrons qui sont beaucoup plus puissants tout en préservant la qualité du faisceau.

Traditionnellement, un champ micro-ondes est utilisé pour comprimer et concentrer le faisceau d’électrons. Les électrons à l’intérieur du champ sont échelonnés, de sorte que ceux qui ont plus d’énergie ont plus d’énergie que ceux à l’avant. C’est un peu comme des coureurs titubés au début d’une course sur piste, a expliqué Emma.

« Nous les envoyons ensuite autour d’un virage, donc les électrons à l’arrière rattrapent les électrons à l’avant, puis à la fin, vous avez un tas d’électrons ensemble dans un faisceau focalisé. »

Le problème avec cette approche est que lorsqu’ils accélèrent, les électrons émettent un rayonnement et perdent de l’énergie, de sorte que la qualité du faisceau se détériore. Cela crée un compromis entre l’énergie du faisceau et la qualité. « Nous ne pouvons pas appliquer des méthodes traditionnelles pour comprimer des grappes d’électrons à l’échelle submicronique, tout en préservant la qualité du faisceau », a déclaré Emma.

Lasers pour la victoire

Pour résoudre ce problème, les chercheurs du SLAC ont comprimé des milliards d’électrons dans une longueur inférieure à un micromètre en utilisant une technique de mise en forme basée sur le laser développée à l’origine pour les lasers d’électrons francs à rayons X, tels que la source de lumière cohérente Linac de SLAC (LCLS).

« Le grand avantage de l’utilisation d’un laser est que nous pouvons appliquer une modulation d’énergie beaucoup plus précise que ce que nous pouvons faire avec les champs micro-ondes », a déclaré Emma.

Mais ce n’est pas aussi simple que de simplement tirer quelques lasers dans un tunnel. « Nous avons une machine d’un kilomètre, et le laser interagit avec le faisceau dans les 10 premiers mètres, vous devez donc vous former exactement, alors vous devez transporter le faisceau pendant un autre kilomètre sans perdre cette modulation, et vous devez le comprimer », a déclaré Emma. « Donc ce n’était pas facile. »

Après plusieurs mois de tests et de financement de leur technique de mise en forme au laser, Emma et son équipe peuvent désormais produire à plusieurs reprises des faisceaux d’électrons à haute énergie, de durée de la Femtoseconde, de Petawatt Peak Power qui sont environ cinq fois plus élevés dans le courant que ce qui pourrait être réalisé auparavant.

Un nouvel outil incroyable

Ce nouveau faisceau permettra aux scientifiques de sonder toute une série de phénomènes naturels, notamment en testant des hypothèses en physique quantique, en science des matériaux et en astrophysique.

En astrophysique, par exemple, ce faisceau peut être dirigé vers une cible solide ou gazeuse pour créer un filament similaire à ceux observés dans les étoiles. « Les scientifiques savent que ces filaments se produisent, mais maintenant nous pouvons tester comment ils se produisent et évoluer en laboratoire avec un niveau de pouvoir que nous n’avons pas eu auparavant », a déclaré Emma.

Des collègues chercheurs FACET-II ont bondi sur le faisceau plus puissant et l’ont déjà appliqué à la technologie de la technologie de Wakefield plasma. Emma est particulièrement enthousiasmée par la perspective de comprimer davantage ces faisceaux pour faire des impulsions de lumière attoseconde, améliorant davantage les capacités actuelles de LCLS et conduisant encore plus de pionnière.

« Si vous avez le faisceau comme une caméra rapide, vous avez également une impulsion légère qui est très courte, et maintenant soudain, vous avez deux sondes complémentaires », a expliqué Emma. « C’est une capacité unique et nous pouvons faire beaucoup de choses avec ça. »

Emma et ses collègues sont enthousiasmés par les perspectives que ce nouveau faisceau d’électrons apportera.

« Nous avons une installation vraiment excitante et intéressante à Facet-II où les gens peuvent venir faire leurs expériences », a-t-il déclaré. « Si vous avez besoin d’un faisceau extrême, nous avons l’outil pour vous et travaillons ensemble. »