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

Om het werk dat hier wordt beschreven te begrijpen, moet men eerst de basisuitdaging van de moderne deeltjesfysica begrijpen: hoe je minuscule deeltjes ongelooflijk snel laat bewegen. Decennialang hebben wetenschappers enorme machines gebruikt, vaak kilometers lang, om elektronen tot hoge snelheden te stuwen. Deze machines gebruiken radiogolven om de deeltjes een zetje te geven, maar de kracht die ze kunnen uitoefenen is beperkt. Als je probeert te hard te duwen in een korte ruimte, gaat de machine kapot of wordt deze inefficiënt. Dit heeft de omvang en de kosten van deze versnellers enorm gehouden, wat beperkingen oplegt aan wie ze kan gebruiken en wat ze kunnen doen.

Een andere aanpak, bekend als laser-wakefield-versnelling, biedt een manier om deze machines te verkleinen tot de omvang van een kamer. In plaats van radiogolven gebruikt deze methode een intense laserlichtpuls die in een gas wordt afgevuurd. De laser is zo krachtig dat hij elektronen uit de gasatomen rukt, waardoor een plasma ontstaat. Terwijl de laserpuls door dit plasma beweegt, duwt hij de elektronen opzij, waardoor er een kielzog achter blijft zoals het kielzog van een boot die door water vaart. Dit kielzog creëert een krachtig elektrisch veld dat andere elektronen kan vangen en ze over een zeer korte afstand tot hoge snelheden kan versnellen. De sleutel tot het succes hiervan is het goed gefocust en sterk houden van de laserstraal terwijl deze door het gas reist. Als de straal uitwaaiert, stopt de versnelling. Het was lange tijd moeilijk en instabiel om een dergelijke krachtige straal over een lange afstand gefocust te houden, wat vaak complexe opstellingen vereiste die moeilijk te onderhouden waren of die door de laser zelf beschadigd konden worden.

Onderzoekers bij de ELI Beamlines-faciliteit in Tsjechië hebben, in samenwerking met collega's van de University of Maryland, nu een nieuwe manier gedemonstreerd om dit focusprobleem op te lossen. Ze hebben een experimentele opstelling gebouwd die alleen spiegels gebruikt om de laser te geleiden, waardoor ze glas of lenzen vermijden die beschadigd of vervormd zouden kunnen raken door de hitte van de krachtige straal. De kern van hun innovatie is een speciale reflecterende kegel, een off-axis axicon genoemd, die helpt de laserstraal te vormen voordat deze het gas binnengaat. Deze opstelling stelde hen in staat om een stabiel kanaal in heliumgas te creëren, een veilig en gemakkelijk te hanteren alternatief voor het waterstof dat vaak in soortgelijke experimenten wordt gebruikt.

In hun experimenten vuurde het team een laserpuls af met een duur van slechts 30 femtoseconden — een tijdschaal zo kort dat het moeilijk voor te stellen is — met een energie van 13 joules. Ze verdeelden deze puls in twee delen. Eén deel, de hoofddriver, werd gefocust om de elektronen te versnellen. Het andere deel werd gevormd tot een speciaal ringvormig patroon om een vooraf gevormd kanaal in het heliumgas te creëren. Dit kanaal fungeerde als een holle pijp voor de hoofd-laserpuls, waardoor deze nauw gefocust bleef terwijl hij door het gas reisde. De onderzoekers testten dit systeem op twee verschillende snelheden. Bij een langzamere snelheid van 0,2 schoten per seconde slaagden zij erin elektronen te versnellen tot energieën van ongeveer 5 miljard elektronvolt. Dit is een belangrijke prestatie, die aantoont dat de methode hoogenergetische bundels kan produceren in één enkele fase.

Het team pushte het systeem ook om op een veel hogere snelheid van 3,3 schoten per seconde te werken. Hoewel ze de elektronenversnelling bij deze hogere snelheid niet op dezelfde manier hebben gemeten, bewezen ze dat de laserstraal gedurende lange perioden stabiel door het plasma kanaal geleid kon worden zonder dat het systeem degradeerde. Dit is een cruciale stap naar het praktisch bruikbaar maken van deze versnellers voor dagelijks gebruik, aangezien hogere herhalingssnelheden meer gegevens en meer bruikbare bundels betekenen. Het gebruik van helium was een bewuste keuze; in tegenstelling tot waterstof, dat brandbaar is en zorgvuldige behandeling vereist, is helium inert en veiliger om mee te werken in een faciliteit die continu in bedrijf is.

De resultaten laten zien dat deze all-reflectieve benadering robuust is. Door spiegels te gebruiken in plaats van lenzen, vermeden de onderzoekers de thermische vervormingen die hoogvermogen lasersystemen vaak teisteren. Ze ontdekten dat de geproduceerde elektronenbundels stabiel waren in richting en een lage spreiding hadden, wat betekent dat de deeltjes bij elkaar bleven in een compacte groep. De energie van de elektronen bereikte tot 5 miljard elektronvolt, wat consistent is met wat de theorie voorspelt voor deze condities. Het team merkte op dat het proces steunde op een specifieke timing tussen de twee laserpulsen om het kanaal te creëren vlak voordat de hoofdpuls arriveerde, een delicate balans die hun systeem schot na schot wist te handhaven.

Dit werk claimt niet elk probleem in de deeltjesversnelling te hebben opgelost, maar het biedt een duidelijk pad voorwaarts. De methode is eenvoudig genoeg zodat er geen grote wijzigingen nodig zijn aan bestaande laserfaciliteiten, wat het toegankelijk maakt voor andere onderzoekscentra om te adopteren. Door te bewijzen dat stabiele, hoogenergetische versnelling mogelijk is met een veilig gas en een duurzame optische opstelling, hebben de onderzoekers verschillende barrières weggenomen die deze technologie hebben tegengehouden. De bevindingen suggereren dat toekomstige versnellers kleiner, veiliger en betrouwbaarder gebouwd kunnen worden, wat potentieel de deur opent naar nieuwe toepassingen in de geneeskunde en materiaalkunde, evenals verdere ontdekkingen in de fundamentele fysica. Het succes van dit experiment ligt niet in een enkele dramatische doorbraak, maar in de gestage demonstratie dat een moeilijk probleem kan worden opgelost met een eenvoudige, duurzame vormgeving.