Microcoulomb-level electron beam and multi-Joule hard X-rays driven by a high-efficiency laser-plasma accelerator

In de uitgestrekte, onzichtbare wereld van subatomaire deeltjes zoeken wetenschappers al lang naar een manier om krachtige elektronenbundels te creëren met behulp van licht zelf. Decennialang bestond de standaardmethode uit het afvuren van een laser in een wolk van gas om een golf te creëren, vergelijkbaar met een boot die door water beweegt, die vervolgens elektronen opvangt en versnelt tot ongelooflijke snelheden. Dit proces, bekend als laser-wakefield acceleratie, is een veelbelovende tool gebleken voor het genereren van hoogenergetische deeltjes zonder de noodzaak van enorme, kamerbrede machines. Echter, een hardnekkige uitdaging was het balanceren van de energie van deze deeltjes met de enorme hoeveelheid van hen. Eerdere experimenten konden ofwel zeer energetische elektronen ofwel een grote hoeveelheid van hen produceren, maar zelden beide tegelijkertijd. Deze beperking heeft veel potentiële toepassingen, zoals het creëren van intense uitbarstingen van röntgenstraling voor medische beeldvorming of het bestuderen van de extreme omstandigheden binnenin sterren, buiten het bereik van kleinere laboratoria gehouden.

Een team van onderzoekers bij de Laser Mégajoule-faciliteit in Frankrijk heeft nu een manier gedemonstreerd om deze afweging te overwinnen, door elektronenbundels te genereren die zowel ongelooflijk talrijk als hoogenergetisch zijn. Door een gespecialiseerde, ultra-krachtige laserpuls te focussen op een supersonische straal van heliumgas, creëerden de wetenschappers een unieke omgeving waarin twee verschillende versnellingsmechanismen samenwerkten. Het resultaat was een elektronenbundel die een totale lading draagt die de hoeveelheid van alles wat eerder in dit type opstelling is bereikt, ver overtreft, waarbij individuele deeltjes energie bereikten tot 500 miljoen elektronvolt. Wanneer deze elektronen tegen een dik metalen doelwit werden geslagen, produceerden ze een flits van harde röntgenstraling die zo intens was dat deze de energie van enkele Joules in een fractie van een seconde met zich meevoerde. Deze prestatie suggereert dat compacte, krachtige deeltjesbronnen een realiteit aan het worden zijn, wat nieuwe deuren opent voor het verkennen van de dichtste toestanden van materie en het creëren van secundaire stralingsbronnen voor geavanceerd wetenschappelijk onderzoek.

Het experiment vond plaats bij de Laser Mégajoule, een enorme faciliteit in Frankrijk ontworpen om hoogenergetische dichtheidsfysica te bestuderen. De onderzoekers maakten gebruik van een specifiek lasersysteem genaamd PETAL, dat een lichtpuls levert die minder dan een biljoenste van een seconde duurt, maar genoeg kracht bevat om te wedijveren met de output van een grote elektriciteitscentrale. In plaats van een massief blok metaal te raken, werd de laser gefocust in een stroom van heliumgas die met supersonische snelheden bewoog. Terwijl de intense laserpuls door dit gas reisde, onttrok het elektronen aan de heliumatomen, waardoor een plasma ontstond. De enorme kracht van de laser duwde de plasma-elektronen opzij, waardoor er een kielzog achter bleef, vergelijkbaar met het kielzog dat een speedboot achterlaat. In dit kielzrog vormden zich sterke elektrische velden, klaar om elk vrij elektron dat ze tegenkwamen te grijpen en te versnellen.

Wat dit experiment onderscheidde, was de specifieke timing en intensiteit van de laserpuls. De puls was lang genoeg, duurde ongeveer 700 femtoseconden, om op een complexe manier met het plasma te interageren. In plaats van de elektronen simpelweg in één enkele, nette lijn te duwen, begon de laserpuls te breken en te oscilleren terwijl hij door het gas bewoog. Deze zelfmodulatie creëerde een chaotische maar zeer effectieve omgeving waar twee soorten versnelling gelijktijdig plaatsvonden. De eerste was de traditionele wakefield acceleratie, waarbij elektronen op de plasmawet surfden. De tweede was directe laseracceleratie, waarbij elektronen werden gevangen in het oscillerende elektrische veld van het laserlicht zelf en direct energie van het licht wonnen. De combinatie van deze twee krachten stelde de onderzoekers in staat om een enorme hoeveelheid elektronen naar relativistische snelheden te vangen en te versnellen, waarbij een totale lading van meer dan één microcoulomb werd bereikt. Dit is een recordbrekende hoeveelheid voor dit type lasergestuurd systeem, wat de hoogste lading is die tot nu toe voor een laser-wakefield accelerator is gerapporteerd naar weten van de onderzoekers.

Om te meten wat ze hadden gecreëerd, plaatsten de onderzoekers een reeks detectoren in het pad van de elektronenbundel. Eén apparaat, dat zes meter verderop stond, gebruikte een magnetisch veld om de elektronen te buigen en ze te scheiden op basis van energie, waardoor de wetenschappers het volledige spectrum van snelheden in de bundel konden zien. Ze ontdekten dat de elektronen een brede energieverdeling hadden, met een aanzienlijk aantal dat tot 500 MeV reikte. Een andere detector, geplaatst direct in het pad van de bundel, mat het totale aantal elektronen. De gegevens toonden aan dat de bundel een lading droeg van 1,1 microcoulomb, een waarde die nog nooit eerder is bereikt in een laser-wakefield accelerator. De onderzoekers bevestigden deze metingen met gedetailleerde computersimulaties die de laser- en plasma-interacties modelleerden, waarbij lieten zien dat de experimentele resultaten overeenkwamen met hun theoretische voorspellingen.

De ware kracht van deze elektronenbundel werd aangetoond toen deze in een stapel metalen platen van indium, ijzer en zirkonium werd gericht. Wanneer de hogesnelheidselektronen deze zware metalen raakten, vertraagden ze snel en gaven ze hun energie af in de vorm van een uitbarsting van harde röntgenstraling. Dit proces, bekend als Bremsstrahlung, zette de kinetische energie van de elektronen om in een fotonenbundel. De resulterende röntgenflits was ongelooflijk intens en droeg een totale energie van ongeveer 3,3 Joule in een puls korter dan een picoseconde. Dit vertegenwoordigt een conversie-efficiëntie van bijna twee procent van de laserenergie naar de röntgenenergie, een cijfer dat eerdere records evenaart of zelfs overtreft. De geproduceerde röntgenstraling was van een hoog genoeg niveau om door dichte materialen te dringen, wat het geschikt maakt voor geavanceerde beeldvormingstechnieken.

De betekenis van dit werk ligt in het vermogen om hoog-geladen, hoogenergetische bundels in een compacte setting te produceren. De onderzoekers toonden aan dat ze, door de laser en het gasdoel zorgvuldig af te stemmen, de chaotische aard van het plasma tot hun voordeel konden gebruiken in plaats van ertegen te vechten. De elektronenbundel die zij genereerden is niet slechts een wetenschappelijke curiositeit; het is een praktisch instrument. Dergelijke bundels kunnen worden gebruikt om secundaire bronnen van straling te creëren, zoals neutronen of gammastraling, die essentieel zijn voor kernfysisch onderzoek en voor het bestuderen van het gedrag van materie onder extreme druk en temperaturen. Bovendien betekent het vermogen om deze bundels te genereren met een lasersysteem dat geïntegreerd is in een grotere faciliteit zoals de Laser Mégajoule, dat wetenschappers deze elektronenbundels nu kunnen gebruiken om materie te onderzoeken die is samengedrukt en verhit door andere krachtige laserstralen, wat een nieuwe manier biedt om de fysica van sterren en planetaire kernen in het laboratorium te bestuderen.

Het team besteedde ook veel aandacht aan het begrijpen van de exacte energieverdeling binnen de bundel. Hoewel de metingen op de as een hoge gemiddelde energie lieten zien, onthulden de computersimulaties dat de bundel aanzienlijk uitspreidde terwijl deze reisde. De elektronen in het absolute centrum van de bundel waren het meest energetisch, terwijl de elektronen aan de randen lagere energieën hadden. Door rekening te houden met deze spreiding, berekenden de onderzoekers dat de totale energie die door de gehele bundel werd gedragen ongeveer 17 Joule bedroeg. Dit uitgebreide beeld, dat experimentele gegevens combineert met geavanceerde modellering, gaf hen een helder beeld van de eigenschappen van de bundel en bevestigde dat het versnellingsmechanisme een hybride was van de twee processen die zij vermoedden. Het succes van dit experiment suggereert dat toekomstige upgrades van het lasersysteem, zoals het verbeteren van de focus van de bundel, deze conversie-efficiënties nog verder kunnen verhogen.

Deze prestatie markeert een stap voorwaarts in het veld van laser-plasma-acceleratie, waardoor het dichter bij praktische toepassing komt. Het vermogen om microcoulomb-niveau elektronenbundels en multi-Joule röntgenstraling in één enkele schot te genereren, biedt een nieuwe capaciteit voor wetenschappers die intense, kortstondige stralingsbronnen nodig hebben. De onderzoekers hebben aangetoond dat de complexe interactie tussen zelfgemoduleerde wakefield-acceleratie en directe laseracceleratie gecontroleerd kan worden om betrouwbare, hoog-opbrengstige resultaten te produceren. Naarmate deze technieken worden verfijnd en geïntegreerd in grotere faciliteiten, beloven ze nieuwe experimenten in de astrofysica, kernkunde en materiaalkunde mogelijk te maken, waardoor de mensheid dieper in de fundamentele werking van het universum kan kijken. De weg van een chaotische plasmajet naar een gecontroleerde, hoogenergetische bundel is nu duidelijker, wat de weg vrijmaakt voor de volgende generatie deeltjesbronnen.