High-repetition-rate, all-reflective optical guiding and electron acceleration in helium using an off-axis axicon

Per comprendere il lavoro qui descritto, è necessario innanzitutto comprendere la sfida fondamentale della fisica delle particelle moderna: come far muovere particelle minuscole a velocità incredibili. Per decenni, gli scienziati hanno utilizzato macchine massicce, spesso lunghe chilometri, per spingere gli elettroni ad alte velocità. Queste macchine utilizzano onde radio per dare una "spinta" alle particelle, ma la forza che possono applicare è limitata. Se si tenta di spingere troppo forte in uno spazio breve, la macchina si rompe o diventa inefficiente. Questo ha mantenuto le dimensioni e i costi di questi acceleratori enormi, limitando chi può utilizzarli e cosa possono fare.

Un approccio diverso, noto come accelerazione a wakefield laser (campo di scia laser), offre un modo per rimpicciolire queste macchine fino alle dimensioni di una stanza. Invece delle onde radio, questo metodo utilizza un intenso impulso di luce laser sparato in un gas. Il laser è così potente da strappare gli elettroni dagli atomi del gas, creando un plasma. Mentre l'impulso laser si muove attraverso questo plasma, spinge gli elettroni lateralmente, creando una scia dietro di sé, proprio come la scia di una barca che si muove nell'acqua. Questa scia crea un potente campo elettrico in grado di catturare altri elettroni e accelerarli ad alte velocità su una distanza molto breve. La chiave per far sì che questo funzioni bene è mantenere il fascio laser focalizzato e forte mentre viaggia attraverso il gas. Se il fascio si disperde, l'accelerazione si interrompe. Per molto tempo, mantenere un fascio così potente focalizzato su una lunga distanza è stato difficile e instabile, richiedendo spesso configurazioni complesse difficili da mantenere o che potevano essere danneggiate dal laser stesso.

Ricercatori della struttura ELI Beamlines nella Repubblica Ceca, lavorando con colleghi dell'Università del Maryland, hanno ora dimostrato un nuovo modo per risolvere questo problema di focalizzazione. Hanno costruito un apparato sperimentale che utilizza solo specchi per guidare il laser, evitando vetro o lenti che potrebbero essere danneggiati o distorti dal calore del potente fascio. Il cuore della loro innovazione è un particolare cono riflettente, chiamato axicon fuori asse, che aiuta a dare forma al fascio laser prima che entri nel gas. Questa configurazione ha permesso loro di creare un canale stabile in gas elio, un'alternazione sicura e facile da gestire rispetto all'idrogeno spesso usato in esperimenti simili.

Negli loro esperimenti, il team ha sparato un impulso laser con una durata di soli 30 femtosecondi — una scala temporale così breve che è difficile da immaginare — trasportando 13 jou di energia. Hanno diviso questo impulso in due parti. Una parte, il driver principale, è stata focalizzata per accelerare gli elettroni. L'altra parte è stata modellata in un particolare schema ad anello per creare un canale preformato nel gas elio. Questo canale ha agito come un tubo cavo per il principale impulso laser, mantenendolo strettamente focalizzato mentre viaggiava attraverso il gas. I ricercatori hanno testato questo sistema a due diverse velocità. A una velocità più lenta di 0,2 impulsi al secondo, hanno accelerato con successo gli elettroni a energie di circa 5 miliardi di elettron volt. Questo è un traguardo significativo, che dimostra come il metodo possa produrre fasci ad alta energia in un unico stadio.

Il team ha anche spinto il sistema a operare a una velocità molto più elevata di 3,3 impulsi al secondo. Sebbene non abbiano misurato l'accelerazione degli elettroni a questa velocità maggiore nello stesso modo, hanno dimostrato che il fascio laser poteva essere guidato stabilmente attraverso il canale di plasma per lunghi periodi senza che il sistema si degradasse. Questo è un passo cruciale verso il rendere questi acceleratori pratici per l'uso quotidiano, poiché frequenze di ripetizione più elevate significano più dati e fasci più utilizzabili. L'uso dell'elio è stata una scelta deliberata; a differenza dell'idrogeno, che è infiammabile e richiede una gestione attenta, l'elio è inerte e più sicuro con cui lavorare in una struttura che opera continuamente.

I risultati mostrano che questo approccio completamente riflettente è robusto. Utilizzando specchi invece di lenti, i ricercatori hanno evitato le distorsioni termiche che spesso affliggono i sistemi laser ad alta potenza. Hanno riscontrato che i fasci di elettroni prodotti erano stabili nella direzione e avevano una bassa dispersione, il che significa che le particelle rimanevano unite in un gruppo compatto. L'energia degli elettroni ha raggiunto i 5 miliardi di elettron volt, il che è coerente con quanto previsto dalla teoria per queste condizioni. Il team ha osservato che il processo dipendeva da una specifica sincronizzazione tra i due impulsi laser per creare il canale appena prima dell'arrivo del impulso principale, un equilibrio delicato che il loro sistema è riuscito a mantenere colpo dopo colpo.

Questo lavoro non pretende di aver risolto ogni problema nell'accelerazione delle particelle, ma fornisce una via chiara da seguire. Il metodo è abbastanza semplice da non richiedere modifiche sostanziali alle strutture laser esistenti, rendendolo accessibile per l'adozione da parte di altri centri di ricerca. Dimostrando che un'accelerazione stabile ad alta energia è possibile con un gas sicuro e una configurazione ottica durevole, i ricercatori hanno rimosso diversi ostacoli che hanno frenato questa tecnologia. I risultati suggeriscono che i futuri acceleratori potrebbero essere costruiti in modo più piccolo, sicuro e affidabile, aprendo potenzialmente la porta a nuove applicazioni in medicina e scienza dei materiali, nonché ad ulteriori scoperte nella fisica fondamentale. Il successo di questo esperimento non risiede in una singola scoperta drammatica, ma nella costante dimostrazione che un problema difficile può essere risolto con un design semplice e durevole.