Credit: DESY, Ángel Ferran Pousa

Introduzione

La tecnologia dell’accelerazione al plasma promette di fornire una nuova generazione di acceleratori di particelle potenti e compatti. Prima di applicare questa nuova tecnologia, tuttavia, è necessario superare vari ostacoli. In particolare si deve ottenere un controllo preciso del processo di accelerazione stesso.

Utilizzando una tecnica innovativa i ricercatori del DESY sono ora riusciti a misurare la scia di accelerazione del plasma con una precisione mai raggiunta prima. Il loro metodo permette di determinare la forma del campo di accelerazione effettivo con una risoluzione dell’ordine dei femtosecondi (trilionesimi di milionesimi di secondo) in modo che il processo di accelerazione possa essere studiato nei minimi dettagli, aprendo così la strada al funzionamento controllato e ottimizzato dei futuri acceleratori al plasma, come spiega il team guidato da Jens Osterhoff del DESY sulla rivista Nature Communications.

Accelerazione di wakefield al plasma

Un plasma è un gas ma con le sue molecole spogliate dei loro elettroni. Un laser ad alta energia o un fascio di particelle può forzare questi elettroni del plasma a oscillare liberamente, il che si traduce in forti campi elettrici. Questi possono poi essere usati per accelerare le particelle cariche. Per raggiungere questo obiettivo, la struttura FLASHForward del DESY spara grappoli di elettroni in un plasma a una velocità vicina a quella della luce.

Una scia di elettroni di plasma si forma dietro il gruppo di elettroni e un altro gruppo di elettroni può navigare lungo questa scia, per cui viene accelerato nel processo: come un wakeboarder che cavalca la scia di una barca“, spiega Osterhoff. “Per questo motivo la tecnica è anche conosciuta come accelerazione di wakefield al plasma“.

L’accelerazione prodotta dalla scia al plasma può essere fino a mille volte superiore a quella dei più forti sistemi convenzionali attualmente in funzione. “Per ottenere un’accelerazione ottimale, i grappoli di elettroni e la scia devono essere accordati con precisione l’uno all’altro“, spiega Sarah Schröder, l’autrice principale dell’articolo, che lavora al DESY e all’Università di Amburgo. “Per fare questo bisogna essere in grado di misurare con precisione la forma della scia e questo è molto impegnativo a causa delle sue piccole dimensioni, essendo solo pochi millesimi di millimetro di lunghezza“.

Nuovo metodo di rilevamento

Così il team ha sviluppato un metodo in cui gli stessi elettroni accelerati vengono utilizzati per rivelare la forma del campo di accelerazione della scia al plasma. Per ottenere questo risultato, il gruppo di elettroni viene prima ruotato da una chicane magnetica. Le porzioni sottili possono poi essere rimosse dalla coda del gruppo inserendo trasversalmente un pezzo di metallo. Infine il gruppo di elettroni viene di nuovo ruotato all’indietro.

Lo spettro energetico risultante del gruppo di elettroni in uscita viene, quindi, alterato a causa degli elettroni mancanti, permettendo di dedurre la forza del campo di accelerazione nel punto in cui una parte del gruppo è stato rimosso. Se il grappolo è tagliato abbastanza sottile, il profilo del campo di accelerazione effettivo nella scia di plasma può essere determinato con una risoluzione temporale di femtosecondi. Nell’esperimento, il team è stato in grado di raggiungere una risoluzione di 15 femtosecondi – corrispondente ad una risoluzione spaziale di circa 5 millesimi di millimetro nella scia. I ricercatori ritengono che siano possibili risoluzioni ancora più elevate.

Per la prima volta abbiamo misurato con precisione il campo elettrico effettivo responsabile dell’accelerazione“, sottolinea Schröder. “Con questa tecnica è ora possibile studiare in dettaglio l’interazione tra i singoli componenti sperimentali e il processo di accelerazione“.

Si sta entrando in una nuova era

Anche altri impianti sperimentali per l’accelerazione al plasma possono trarre vantaggio dalla nuova tecnologia. “Il nostro metodo è un passo importante sulla via della comprensione dettagliata della scia del plasma e della sua ottimizzazione“, spiega Osterhoff. “Questo esperimento dimostra la squisita precisione che si può ottenere nella misurazione dei campi di accelerazione e apre la strada alla nuova era di controllo e stabilità che gli acceleratori al plasma stanno entrando nella nuova era“, aggiunge Wim Leemans, direttore della divisione acceleratori del DESY.

Citazioni e Approfondimenti

  • Measuring the Wave, by Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
  • High-resolution sampling of beam-driven plasma wakefields; S. Schröder, C.A. Lindstrøm, S. Bohlen, G. Boyle, R. D’Arcy, S. Diederichs, M.J. Garland, P. Gonzalez, A. Knetsch, V. Libov, P. Niknejadi, K. Põder, L. Schaper, B. Schmidt, B. Sheeran, G. Tauscher, S. Wesch, J. Zemella, M. Zeng, and J. Osterhoff; Nature Communications, 2020; DOI: 10.1038/s41467-020-19811-9