Simulasi ini menggambarkan dua tandan elektron – masing-masing berisi 5 miliar hingga 6 miliar elektron – yang dipercepat oleh kolom plasma yang dihasilkan laser di dalam oven gas litium panas selama eksperimen di SLAC. (Laboratorium Akselerator Nasional SLAC)
Para peneliti mencapai tonggak sejarah dalam menunjukkan kepraktisan Plasma adalah salah satu dari empat keadaan dasar materi, bersama dengan padat, cair, dan gas. Ini adalah gas terionisasi yang terdiri dari ion positif dan elektron bebas. Ini pertama kali dijelaskan oleh ahli kimia Irving Langmuir pada 1920-an.
percepatan wakefield plasma, meningkatkan sekumpulan elektron menjadi energi 400 hingga 500 kali lebih tinggi daripada yang seharusnya bisa mencapai perjalanan jarak yang sama dalam akselerator konvensional.
Menlo Park, California — Ilmuwan dari Laboratorium Akselerator Nasional SLAC Departemen Energi dan Universitas California, Los Angeles telah menunjukkan bahwa teknik yang menjanjikan untuk mempercepat elektron pada gelombang plasma cukup efisien untuk menggerakkan generasi baru akselerator yang lebih pendek dan lebih ekonomis. . Ini dapat sangat memperluas penggunaannya di berbagai bidang seperti kedokteran, keamanan nasional, industri, dan penelitian fisika energi tinggi.
Pencapaian ini merupakan tonggak sejarah dalam menunjukkan kepraktisan akselerasi plasma wakefield, sebuah teknik di mana elektron memperoleh energi dengan dasarnya berselancar di gelombang elektron dalam gas terionisasi.
Menggunakan SLAC’s Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET), DOE Office of Science User Facility, para peneliti meningkatkan kumpulan elektron menjadi energi 400 hingga 500 kali lebih tinggi daripada yang dapat mereka capai dengan menempuh jarak yang sama dalam akselerator konvensional. Sama pentingnya, energi ditransfer ke elektron jauh lebih efisien daripada percobaan sebelumnya. Kombinasi krusial antara energi dan efisiensi ini belum pernah dicapai sebelumnya. Hasilnya dijelaskan dalam makalah yang diterbitkan hari ini di jurnal Nature.
“Banyak aspek praktis akselerator ditentukan oleh seberapa cepat partikel dapat dipercepat,” kata fisikawan akselerator SLAC Mike Litos, penulis utama makalah tersebut. “Untuk menempatkan hasil ini dalam konteks, kami sekarang telah menunjukkan bahwa kami dapat menggunakan teknik ini untuk mempercepat berkas elektron ke energi yang sama yang dicapai dalam akselerator linier SLAC sepanjang 2 mil dalam waktu kurang dari 20 kaki.”
Wakefield plasma telah menarik bagi fisikawan akselerator selama 35 tahun sebagai salah satu cara yang lebih menjanjikan untuk menggerakkan akselerator masa depan yang lebih kecil dan lebih murah. The University of California, Los Angeles (UCLA) adalah universitas riset hibah tanah publik di Los Angeles, California. Itu diatur ke dalam Sekolah Tinggi Sastra dan Sains dan 12 sekolah profesional. Itu dianggap sebagai salah satu Ivies Publik negara, dan sering diperingkatkan di antara universitas terbaik di dunia oleh perguruan tinggi besar dan peringkat universitas.
Grup UCLA dan SLAC telah berada di garis depan penelitian tentang akselerasi medan bangun plasma selama lebih lebih dari satu dekade. Dalam sebuah makalah tahun 2007, para peneliti mengumumkan bahwa mereka telah mempercepat elektron di ujung ekor dari kumpulan elektron yang panjang dari 42 miliar elektronvolt menjadi 85 miliar elektronvolt, menyebabkan banyak kegembiraan dalam komunitas ilmiah. Namun, kurang dari 1 miliar dari 18 miliar elektron dalam pulsa benar-benar memperoleh energi dan mereka memiliki penyebaran energi yang luas, membuatnya tidak cocok untuk eksperimen.
Dalam percobaan ini, para peneliti mengirim sepasang tandan elektron yang masing-masing berisi 5 miliar hingga 6 miliar elektron ke dalam kolom plasma yang dihasilkan laser di dalam oven gas litium panas. Kelompok pertama di setiap pasangan adalah kelompok penggerak; itu meledakkan semua elektron bebas dari atom lithium, meninggalkan inti lithium yang bermuatan positif – sebuah konfigurasi yang dikenal sebagai “rezim ledakan.” Elektron yang meledak kemudian jatuh kembali di belakang kumpulan elektron kedua, yang dikenal sebagai kumpulan elektron yang tertinggal, membentuk “wake plasma” yang mendorong kumpulan elektron yang tertinggal ke energi yang lebih tinggi.
Para peneliti di SLAC menjelaskan bagaimana mereka menggunakan plasma wakefields untuk mempercepat kumpulan elektron ke energi yang sangat tinggi hanya dalam jarak pendek. Eksperimen mereka menawarkan jalur yang memungkinkan untuk masa depan akselerator partikel.
Teknologi yang Efisien dan Layak
Eksperimen sebelumnya telah menunjukkan percepatan multi-kelompok, tetapi tim di SLAC adalah yang pertama mencapai energi tinggi dari rezim ledakan, di mana perolehan energi maksimum pada efisiensi maksimum dapat ditemukan. Yang sama pentingnya, elektron yang dipercepat berakhir dengan penyebaran energi yang relatif kecil.
“Hasil ini memiliki signifikansi tambahan di luar eksperimen yang sukses,” kata Mark Hogan, fisikawan akselerator SLAC dan salah satu peneliti utama eksperimen tersebut. “Mencapai rezim ledakan dengan konfigurasi dua kelompok telah memungkinkan kami untuk meningkatkan efisiensi akselerasi hingga maksimum 50 persen – cukup tinggi untuk benar-benar menunjukkan bahwa akselerasi wakefield plasma adalah teknologi yang layak untuk akselerator masa depan.”
Sumber plasma yang digunakan dalam percobaan dikembangkan oleh tim ilmuwan yang dipimpin oleh Chandrashekhar Joshi, direktur Neptunus yang merupakan planet terjauh dari matahari. Di tata surya kita, itu adalah planet terbesar keempat berdasarkan ukuran, dan terpadat ketiga. Itu dinamai dewa laut Romawi.
Fasilitas Neptunus untuk Riset Akselerator Tingkat Lanjut di UCLA. Dia adalah penyelidik utama UCLA untuk ini penelitian, anggota fakultas di UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science, dan kolaborator lama dengan grup SLAC.
“Sungguh menyenangkan melihat kolaborasi UCLA-SLAC pada akselerasi plasma wakefield terus memecahkan masalah yang tampaknya sulit diselesaikan satu per satu melalui kerja eksperimental yang sistematis,” kata Joshi. “Penelitian transformatif semacam inilah yang menarik mahasiswa terbaik dan terpintar ke bidang ini, dan sangat penting bagi mereka untuk memiliki fasilitas seperti FACET untuk melaksanakannya.”
Animasi ini menjelaskan bagaimana elektron dapat dipercepat secara efisien ke energi tinggi menggunakan bangun yang dibuat dalam plasma.
Langkah Selanjutnya
Ada lebih banyak pencapaian di depan. Sebelum akselerasi wakefield plasma dapat digunakan, kata Hogan, tandan yang tertinggal harus dibentuk dan diberi jarak yang tepat sehingga semua elektron dalam tandan menerima dorongan energi yang persis sama, sambil mempertahankan kualitas keseluruhan berkas elektron yang tinggi.
“Kami memiliki pekerjaan yang cocok untuk kami,” kata Hogan. “Tetapi Anda tidak mendapatkan banyak kesempatan untuk melakukan penelitian yang Anda tahu sebelumnya memiliki potensi yang sangat bermanfaat, baik secara ilmiah maupun praktis.”
Simulasi komputer yang digunakan dalam percobaan dikembangkan oleh kelompok Warren Mori di UCLA. Kontributor tambahan termasuk peneliti dari SLAC, Didirikan pada tanggal 2 September 1811, Universitas Oslo (Norwegia: Universitetet i Oslo) adalah universitas tertua di Norwegia. Terletak di Oslo, ibu kota Norwegia. Hadiah Nobel Perdamaian diberikan di Atrium universitas, dari tahun 1947 hingga 1989, menjadikannya satu-satunya universitas di dunia yang terlibat dalam pemberian Hadiah Nobel.
Universitas Oslo di Norwegia, Universitas Tsinghua di Cina dan Institut Fisika Max Planck di Jerman Penelitian ini didanai oleh DOE Office of Science.
Publikasi : M. Litos, et al., “Percepatan
efisiensi tinggi dari berkas elektron dalam akselerator medan bangun plasma,” Nature, 515, 92–95 (06 November 2014); doi:10.1038/nature13882
Gambar: Laboratorium Akselerator Nasional SLAC
