Dual-pulse micronozzle acceleration of sub-GeV-class protons

एक विशाल, अदृश्य झूले को धक्का देने की कल्पना करें। यदि आप गलत समय पर धक्का देते हैं, तो आप शायद उसे धीमा कर देंगे या अपनी ऊर्जा बर्बाद कर देंगे। यदि आप बिल्कुल सही क्षण पर, बार-बार धक्का देते हैं, तो झूला ऊँचा और ऊँचा होता जाएगा। यह लेजर-ड्रिवन आयन एक्सीलरेशन (laser-driven ion acceleration) के पीछे का मूल विचार है, जो विज्ञान का एक ऐसा क्षेत्र है जहाँ शोधकर्ता अविश्वसनीय रूप से शक्तिशाली प्रकाश की चमक (लेजर) का उपयोग प्रोटॉन जैसे सूक्ष्म कणों को दिमाग घुमा देने वाली गति तक तेज करने के लिए करते हैं। आमतौर पर, वैज्ञानिक एक पेचीदा समस्या का सामना करते हैं: या तो वे प्रोटॉन को बहुत तेज़ गति दे सकते हैं, या वे बहुत अधिक संख्या में प्रोटॉन को तेज़ कर सकते हैं, लेकिन शायद ही कभी दोनों को एक साथ कर पाते हैं। यह एक बाल्टी को फायरहोस (firehose) से भरने की कोशिश करने जैसा है; यदि आप पानी को तेज़ी से भरने के लिए उसे पूरी शक्ति से चालू करते हैं, तो अक्सर आप पानी को हर तरफ उछाल देते हैं और उसका अधिकांश हिस्सा बर्बाद कर देते हैं। लेकिन यदि आप प्रोटॉन को लेजर के धक्के के साथ एक आदर्श लय में लॉक कर सकें, तो आप ऊर्जा बर्बाद किए बिना बड़ी संख्या में प्रोटॉन को सुपर-हाई स्पीड तक पहुँचा सकते हैं। यह कॉम्पैक्ट मशीनें बनाने के लिए 'होली ग्रिल' (परम लक्ष्य) है जो एक दिन डॉक्टरों को कैंसर के इलाज में मदद कर सकती हैं, नए प्रकार की ऊर्जा को शक्ति दे सकती हैं, या ऐसे कण बना सकती हैं जो स्वाभाविक रूप से पृथ्वी पर मौजूद नहीं हैं।

इस शोध पत्र में, लेखक, डी. पान और एम. मुरकामी, एक डुअल-पल्स माइक्रोनोज़ल एक्सीलरेशन (dual-pulse micronozzle acceleration) योजना का उपयोग करके इस "गति बनाम संख्या" की समस्या को हल करने का एक चतुर नया तरीका प्रस्तावित करते हैं। उनके सेटअप को एक उच्च-तकनीकी, सूक्ष्म रेसट्रैक (रैकेट ट्रैक) की तरह समझें। केवल एक विशाल लेजर शॉट के साथ लक्ष्य पर प्रहार करने के बजाय, वे एक बहुत ही विशिष्ट क्रम में दो शॉट्स का उपयोग करते हैं। पहले, एक छोटा, अत्यधिक केंद्रित "प्रीपल्स" (prepulse) एक स्टार्टर गन की तरह कार्य करता है, जो हाइड्रोजन रॉड से प्रोटॉन के एक सघन समूह को धीरे से बाहर धकेलता है। फिर, एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से के बाद, एक दूसरा, बड़ा "मेन पल्स" (main pulse) एक छोटी, ठोस धातु की नली (micronozzle) से टकराता है ताकि नली के भीतर एक शक्तिशाली, अदृश्य विद्युत क्षेत्र बनाया जा सके।

जादू तब होता है जब समय बिल्कुल सही हो। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि वे दूसरे पल्स को एक बहुत ही सूक्ष्म अंतराल (0 से 40 फेम्टोसेकंड के बीच, जो कि एक क्वाड्रिलियनवाँ हिस्सा है) के लिए विलंबित करते हैं, तो पहले पल्स द्वारा लॉन्च किए गए प्रोटॉन का समूह दूसरे पल्स द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्र के भीतर "सवारी" कर सकता है। यह प्रोटॉन के सर्फर्स की तरह है जो ठीक उसी समय लहर पर कूदते हैं जब वह बनती है, और उस लहर के साथ तालमेल बनाए रखते हुए यात्रा करते हैं। क्योंकि वे तालमेल में रहते हैं, वे बिखरते या धीमे नहीं होते; इसके बजाय, वे लहर की सवारी करते हुए एक लंबी दूरी तय करते हैं, जिससे उन्हें भारी मात्रा में ऊर्जा प्राप्त होती है।

पेपर के सिमुलेशन दिखाते हैं कि यह विधि अविश्वसनीय रूप से प्रभावी है। जब उन्होंने $10^{21}$ W/cm$^2$ के आसपास लेजर तीव्रता का उपयोग किया, तो उन्होंने सब-जीईवी (sub-GeV) रेंज (यानी एक बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट से थोड़ा कम, या लगभग 1 GeV) में प्रोटॉन ऊर्जा प्राप्त की। इससे भी अधिक प्रभावशाली बात यह है कि लेजर की कुल ऊर्जा का लगभग 20% सफलतापूर्वक प्रोटॉन की गति में परिवर्तित हो गया। आमतौर पर, प्रोटॉन को इतनी उच्च ऊर्जा तक पहुँचाने से दक्षता बहुत कम हो जाती है, लेकिन यहाँ, प्रोटॉन समूह का "उच्च-ऊर्जा" वाला हिस्सा (वे ऊर्जाएँ जो 100 MeV से ऊपर हैं) अकेले कुल ऊर्जा का लगभग 13% था। यह सुझाव देता है कि ऊर्जा को प्रोटॉन के एक घने, केंद्रित बीम में सीधे लोड किया जा रहा है, न कि गर्मी के रूप में खोया जा रहा है या यादृच्छिक दिशाओं में बिखरा जा रहा है।

यह पेपर इस तर्क के विरुद्ध भी जाता है कि यह सफलता केवल दो पल्स होने या केवल धातु की नली होने के कारण मिली है। एक अनकन्फाइंड हाइड्रोजन रॉड (बिना ट्यूब वाला संस्करण) और केवल एक पल्स वाले संस्करण के साथ तुलना करके, उन्होंने दिखाया कि ज्यामितीय बंधन (geometric confinement) (ट्यूब) और कालिक सिंक्रोनाइज़ेशन (temporal synchronization) (दो पल्स का सटीक समय) दोनों ही अनिवार्य हैं। बिना ट्यूब के, विद्युत क्षेत्र बहुत जल्दी ढह जाता है और प्रोटॉन बिखर जाते हैं। सटीक विलंब (delay) के बिना, प्रोटॉन "लहर" को मिस कर देते हैं और उन्हें पूरा बढ़ावा नहीं मिल पाता है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनका विचार वास्तविक दुनिया में टिक सके, शोधकर्ताओं ने जटिल 3D कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए (चूंकि वास्तविक प्रयोग स्थापित करना अत्यंत कठिन है)। उन्होंने पाया कि तीन-आयामी स्थान में भी, "फेज़-लॉकिंग" (phase-locking) प्रभाव मजबूत बना रहता है। इन 3D सिमुलेशन में, सीमित लक्ष्य (confined target) ने समान परिस्थितियों में अनकन्फाइंड लक्ष्य की तुलना में लगभग 60% अधिक कट-ऑफ ऊर्जा वाले प्रोटॉन उत्पन्न किए। उन्होंने यह भी खोजा कि उनके 3D नोज़ल में "स्लिट" (slit) की चौड़ाई मायने रखती है, जिसमें लगभग 10–12 $\mu$m का इष्टतम आकार लेजर की ऊर्जा कपलिंग और इलेक्ट्रॉनों को फँसाकर रखने की आवश्यकता के बीच संतुलन बनाता है।

अंततः, यह पेपर सुझाव देता है कि यह "फेज़-लॉक्ड" त्वरण एक सीमित संरचना में कॉम्पैक्ट, उच्च-उपज वाले प्रोटॉन ड्राइवर बनाने के लिए एक व्यावहारिक डिजाइन सिद्धांत है। हालांकि ये परिणाम वर्तमान में सिमुलेशन पर आधारित हैं, वे भविष्य की ओर संकेत करते हैं जहाँ हम बड़े, कमरे के आकार के त्वरकों की आवश्यकता के बिना द्वितीयक अनुप्रयोगों के लिए शक्तिशाली कण बीम बना सकते हैं—जैसे कि अनुसंधान के लिए न्यूट्रॉन स्रोत बनाना या पायोन (pions) और म्यूऑन (muons) जैसे कणों का उत्पादन करना। मुख्य निष्कर्ष यह है कि लेजर पल्स के समय को सावधानीपूर्वक ट्यून करके और एक छोटे, सीमित ट्रैक का उपयोग करके, हम प्रोटॉन को उनके त्वरक बल के साथ तालमेल में रख सकते हैं, जिससे ऊर्जा के एक अराजक उछाल को एक शक्तिशाली, निर्देशित बीम में बदला जा सकता है।