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

Stel je voor dat je een gigantische, onzichtbare schommel probeert aan te duwen. Als je op het verkeerde moment duwt, kun je hem juist afremmen of verspil je alleen maar je energie. Als je op het perfecte moment duwt, keer op keer, gaat de schommel steeds hoger en hoger. Dit is het basisidee achter lasergestuurde ionenversnelling, een wetenschappelijk veld waar onderzoekers ongelooflijk krachtige lichtflitsen (lasers) gebruiken om minuscule deeltjes die protonen worden genoemd naar verbijsterende snelheden te versnellen. Meestal worden wetenschappers geconfronteerd met een lastig probleem: ze kunnen protonen óf zeer snel krijgen, óf ze kunnen veel protonen snel krijgen, maar zelden beide tegelijkertijd. Het is alsof je probeert een emmer te vullen met een brandslang; als je de kraan vol openzet om de emmer snel te vullen, spat het water vaak alle kanten op en verspil je het meeste water. Maar als je de protonen op de een of andere manier in een perfect ritme zou kunnen vergrendelen met de duw van de laser, zou je een enorm aantal protonen zeer hoge snelheden kunnen laten bereiken zonder energie te verspillen. Dit is de heilige graal voor het creëren van compacte machines die artsen op een dag kunnen helpen bij het behandelen van kanker, het voeden van nieuwe soorten energie, of zelfs het creëren van deeltjes die niet natuurlijk op aarde voorkomen.

In dit artikel stellen de auteurs, D. Pan en M. Murakami, een slimme nieuwe manier voor om dit "snelheid versus aantal"-probleem op te lossen met een dual-pulse micronozzle acceleration-schema (dubbelpuls-microkanaalversnelling). Denk aan hun opstelling als een hoogtechnologische, microscopische racebaan. In plaats van alleen een doelwit te bestoken met één enorme laserpuls, gebruiken ze twee schoten in een zeer specifieke volgorde. Eerst fungeert een kleine, supergeconcentreerde "prepulse" als een startpistool, die een compact groepje protonen voorzichtig uit een waterstofstaaf duwt. Een fractie van een seconde later raakt een tweede, grotere "hoofdpuls" een klein, massief metalen buisje (een micronozzle) om een krachtig, onzichtbaar elektrisch veld binnenin de buis te creëren.

De magie gebeurt wanneer de timing precies goed is. De onderzoekers ontdekten dat als ze de tweede puls met een piepkleine vertraging (tussen 0 en 40 femtoseconden, wat een quadrilljoende van een seconde is) laten plaatsvinden, de groep protonen die door de eerste puls is gelanceerd, een "ritje" kan pakken binnen het elektrische veld dat door de tweede puls wordt gegenereerd. Het is alsof de protonen surfers zijn die op een golf springen precies op het moment dat deze vormt, en in stap blijven met de golf terwijl deze de buis afdwaalt. Omdat ze in sync blijven, verspreiden ze niet of remmen ze niet af; in plaats daarvan rijden ze de golf over een lange afstand af en bouwen ze enorme hoeveelheden energie op.

De simulaties in het artikel laten zien dat deze methode ongelooflijk goed werkt. Wanneer ze laserintensiteiten rond de $10^{21}$ W/cm$^2$ gebruikten, bereikten ze protonenergieën in het sub-GeV-bereik (wat betekent: net onder één miljard elektronvolt, of bijna 1 GeV). Nog indrukwekkender is dat ongeveer 20% van de totale laserenergie succesvol werd omgezet in de beweging van de protonen. Normaal gesproken leidt het verkrijgen van protonen met zulke hoge energieën tot een zeer lage efficiëntie, maar hier maakte het "hoogenergetische" deel van de protonengroep (die deeltjes met energieën boven de 100 MeV) alleen al ongeveer 13% van de totale energie uit. Dit suggereert dat de energie direct wordt geladen in een strakke, gefocuste bundel protonen in plaats van verloren te gaan als warmte of te worden verstrooid in willekeurige richtingen.

Het artikel betoogt ook dat dit succes niet alleen voortkomt uit het hebben van twee pulsen of alleen een metalen buisje. Door hun opstelling te vergelijken met een versie zonder de buis (een onbeperkte waterstofstaaf) en een versie met slechts één puls, hebben ze aangetoond dat zowel de geometrische begrenzing (de buis) als de temporele synchronisatie (de precieze timing van de twee pulsen) absoluut noodzakelijk zijn. Zonder de buis stort het elektrische veld te snel in en verspreiden de protonen zich. Zonder de precieze vertraging missen de protonen de "golf" en krijgen ze niet de volledige boost.

Om er zeker van te zijn dat hun idee standhoudt in de echte wereld, hebben de onderzoekers complexe 3D-computersimulaties uitgevoerd (aangezien echte experimenten extreem moeilijk op te zetten zijn). Ze ontdekten dat zelfs in een driedimensionale ruimte het "fase-lock" effect sterk blijft. In deze 3D-simulaties produceerde het begrensde doelwit protonen met cutoff-energieën die ongeveer 60% hoger waren dan een onbegrensd doelwit onder dezelfde omstandigheden. Ze ontdekten ook dat de breedte van de "gleuf" in hun 3D-nozzle ertoe doet, met een optimale grootte rond de 10–12 $\mu$m, wat een balans biedt tussen de energiekoppeling van de laser en de noodzaak om de elektronen gevangen te houden.

Uiteindelijk suggereert het artikel dat deze "fase-gelockte" versnelling in een begrensde structuur een praktisch ontwerpprincipe is voor het bouwen van compacte, hoog-opbrengst protonendrivers. Hoewel deze resultaten momenteel gebaseerd zijn op simulaties, wijzen ze naar een toekomst waarin we krachtige deeltjesbundels kunnen creëren voor secundaire toepassingen—zoals het maken van neutronenbronnen voor onderzoek of het produceren van deeltjes zoals pionen en muonen—zonder de noodzaak van enorme, kamerbrede versnellers. De belangrijkste les is dat door de timing van laserpulsen zorgvuldig af te stemmen en een kleine, begrensde baan te gebruiken, we protonen in stap kunnen houden met hun versnellende kracht, waardoor we een chaotische spat van energie omzetten in een krachtige, gerichte bundel.