Los aceleradores de partículas de vanguardia del mundo están empujando los extremos en haces de alto brillo y pulsos ultracortos para explorar la materia de nuevas maneras.
Para optimizar su rendimiento, y para prepararse para las instalaciones de próxima generación que impulsarán estos extremos aún más, los científicos han ideado una nueva herramienta que puede medir qué tan brillantes son estos haces, incluso para pulsos que duran solo femtosegundos cuadrillonésimos de unsegundo o attosegundos quintillonésimas de segundo. Comparar 1 attosegundo con 1 segundo es como comparar 1 segundo con 31.7 mil millones de años.
Esta herramienta también puede medir tamaños de haz dentro de unas pocas decenas de nanómetros billonésimas de metro, sin interrumpir los experimentos que dependen de estos haces.
La nueva herramienta, denominada "monitor de densidad de carga", también podría proporcionar medidas más precisas de la física fundamental en experimentos con rayos de alta energía y de campo alto, y ayudar a guiar los esfuerzos de I + D que buscan reducir el tamaño y el costo del colisionador de partículase instalaciones de acelerador mientras aumentan sus capacidades.
La investigación que utiliza este diagnóstico propuesto también podría afectar disciplinas que van desde la ciencia del plasma hasta la física atómica, y podría conducir a nuevas aplicaciones y revelar una nueva física.
En el Centro de Aceleradores Láser Berkeley Lab BELLA del Departamento de Energía de EE. UU., Los investigadores esperan probar esta herramienta midiendo las propiedades de las partículas tras un intenso rayo láser perforando un chorro de gas. Al hacerlo, esperan aprendersobre el pulso del haz de electrones que emerge de esta interacción.
"BELLA proporciona un banco de pruebas ideal para evaluar el potencial del método de medición del haz en un acelerador avanzado de última generación, ya que nuestro objetivo es producir las explosiones ultracortadas de electrones más brillantes posibles con nuestra tecnología de acelerador compacto"dijo Wim Leemans, director del Centro BELLA y de la División de Tecnología Aceleradora y Física Aplicada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Laboratorio Berkeley.
"Proporcionaría una herramienta poderosa para medir y mejorar las vigas de BELLA"
Leemans dirigió al equipo de colaboradores de Berkeley Lab como parte de un equipo internacional en un estudio técnico que detalla el nuevo método, publicado en la edición del 10 de mayo de la revista Revisión física X .
Roxana Tarkeshian, investigadora de la Universidad de Berna y anteriormente en el Instituto Paul Scherrer, fue la autora principal del estudio y ha seguido el nuevo método de diagnóstico desde 2015, con el apoyo de Thomas Feurer, profesor de la Universidad deBern y un experto en tecnología láser y física espacial.
"Sus medidas ultrasensibles a alta resolución, y su bajo costo y compacidad se encuentran entre sus activos", dijo Tarkeshian.
El estudio detalla cómo los haces de partículas intensas pueden atravesar un gas neutro de baja densidad, eliminando electrones de los átomos de gas a través de los fuertes campos eléctricos asociados con haces de partículas intensas. Una nube de materia ionizada cargada conocida como plasma.que contienen iones y electrones - formas en el proceso.
La resolución "sin precedentes" de la técnica para la duración y el tamaño de los pulsos individuales para los haces de electrones y los haces de positrones se relaciona con un efecto en el que pequeños cambios en el brillo del haz de solo un pequeño por ciento a decenas de por ciento pueden dar lugar a decenas a cientos deTarkeshian señaló que, en ocasiones, se generan más iones en presencia de un campo eléctrico.
El proceso es similar a lo que sucede cuando un rayo láser enfocado muy intenso o un pulso de rayos X interactúa con un gas e ioniza los átomos. Pero existen diferencias importantes en la física de este proceso de ionización para haces de luz fotonesvs. otros tipos de haces de partículas.
Con los haces de luz, se producen electrones e iones partículas cargadas en toda la huella del haz, y los electrones asociados al plasma tienen una velocidad relativamente baja y tienden a colgar alrededor de la columna de iones hasta que son retirados por un sistema eléctrico externo.campo. Los iones con cargas positivas luego se desvían en la dirección opuesta y se pueden medir.
Para haces de partículas de electrones con carga negativa o de positrones con carga positiva, la forma del campo eléctrico se asemeja a una rosquilla y produce una columna de plasma en forma de anillo, sin iones que quedan inicialmente en la trayectoria del haz: el orificio deldonut. Estos haces de partículas pueden suministrar una potente patada a los electrones, lo que puede dejar una columna de iones en forma de anillo. Y esos iones pueden ser guiados por un campo eléctrico a un detector que mide la cantidad de iones, su velocidad ysu estado cargado
El último estudio muestra que la nueva herramienta de medición también puede obtener más información sobre el haz mismo de esta "dona de iones" en las condiciones de funcionamiento adecuadas, con la densidad y la mezcla de gases correctas, por ejemplo.
El equipo realizó simulaciones sofisticadas utilizando un código informático refinado por Berkeley Lab conocido como WARP y otro código conocido como VSim. Los investigadores modelaron la interacción de los haces de partículas y fotones con gases y la dinámica relacionada con el plasma resultante.
"Las simulaciones nos permitieron hacer zoom en el espacio y el tiempo, desde la escala en centímetros hasta el tamaño submicrométrico del haz, y seguir la dinámica y la distribución de electrones e iones en diferentes escalas de tiempo", dijo Jean-Luc Vay,un científico sénior en Berkeley Lab que contribuyó al código WARP y lidera el Programa de modelado del acelerador en la división ATAP del laboratorio.
Vay señaló que los aspectos del código resultaron clave en el modelado preciso y la comprensión de las diferencias entre los efectos de los haces de partículas frente a los haces de fotones, y en la búsqueda de la mejor manera de sintonizar y operar el sistema.
Una vez que se implementa el sistema de diagnóstico completo en los sistemas de acelerador, las simulaciones ayudarán a verificar la realidad de las mediciones reales en los experimentos y ayudarán a desarrollar una ruta para optimizar el rendimiento del haz.
"Los pequeños cambios podrían resolverse con mucha precisión", dijo, basándose en mediciones de pulsos de haz individuales.
La técnica propuesta también abre la posibilidad de estudiar la dinámica inducida por la carga en la materia, y puede proporcionar más información sobre escalas de tiempo de procesos atómicos o moleculares fundamentales que se estudian con pulsos de fotones de attosegundos, dijo, incluida una propiedad conocida como túnel cuántico enque una partícula puede parecer "túnel" espontáneamente a través de la barrera potencial del átomo en desafío de la física clásica.
Y Tarkeshian señala que el diagnóstico propuesto podría resultar útil para los láseres de electrones libres de rayos X XFEL existentes, como el FEL de rayos X de la fuente de luz coherente Linac LCLS en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, la instalación FLASH en DESYen Alemania, SwissFEL en el Instituto Paul Scherrer PSI en Suiza, entre otros, e instalaciones en construcción como el LCLS-II en SLAC.
Por ejemplo, se instaló un prototipo en LCLS con el apoyo y las contribuciones del científico de SLAC Patrick Krejcik y un equipo de PSI para diagnosticar los racimos de electrones ultracortos y de alta energía producidos por su acelerador.
Tarkeshian señaló que se han desarrollado otras herramientas para proporcionar mediciones de las propiedades del rayo XFEL y el acelerador, pero a medida que los pulsos de los rayos empacan cada vez más intensidad y energía en pulsos cada vez más cortos, se necesitarán nuevas herramientas para seguir el ritmo de estos extremosvigas.
Ella atribuyó algunas décadas de trabajo en un diagnóstico propuesto para un proyecto de acelerador de prueba en SLAC conocido como Final Focus Test Beam, o FFTB, para allanar el camino para este nuevo concepto de diseño.
"En nuestro último trabajo, hemos estudiado no solo los conceptos sino que también hemos abordado los desafíos que esta técnica puede enfrentar experimentalmente", dijo Tarkeshian.
"Es genial revivir este concepto inacabado de hace décadas con nuevas ideas, y con un apoyo continuo podemos darnos cuenta de su potencial", agregó. "Este es un camino muy abierto, y apenas estamos comenzando".
Leemans dijo: "Creemos que la realización práctica de esta técnica innovadora será, en última instancia, de gran interés para la física internacional de alta energía y las comunidades científicas generales impulsadas por el acelerador".
El trabajo fue apoyado por la Oficina de Física de Alta Energía del DOE, el Séptimo Programa Marco de la Unión Europea y la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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