Slimme laserpuls doorbreekt snelheidslimiet van compacte deeltjesversnellers

Onderzoekers van het Laboratory for Laser Energetics van de University of Rochester rapporteren in Nature Physics een doorbraak in laser-plasmaversnellers: compacte machines die elektronen met een extreem korte, intense laserflits door een gaswolk jagen. Die laserpuls schiet elektronen los van atomen en creëert zo een golf van geladen deeltjes in het plasma, een zogeheten wakefield. Elektronen die in die golf worden meegesleurd, kunnen over slechts centimeters afstand energieën bereiken waarvoor klassieke versnellers kilometers nodig hebben.

Het probleem: elektronen lopen de golf voorbij

Het obstakel heet dephasing. De versnelde elektronen bewegen bijna met de lichtsnelheid, maar de plasmagolf die hen voortstuwt reist net iets langzamer. Na verloop van tijd halen de elektronen de golf in en schuiven ze uit de zone waar ze extra vaart krijgen. Vanaf dat moment stopt de versnelling. Natuurkundigen probeerden dit tot nu toe te omzeilen door de dichtheid van het plasma te verlagen, wat de afstand tot dephasing verlengt. Maar dat verzwakt ook het versnellende veld, zodat er veel meer laservermogen nodig is. Om elektronen tot 100 GeV te versnellen zou met de klassieke aanpak een plasma van ongeveer tien meter lang nodig zijn — onhandig groot voor een techniek die juist compact moet zijn.

Een laserpuls die zelf zijn snelheid kiest

Het team van hoofdonderzoeker Charlie Arrowsmith loste dit op met dephasingless laser wakefield acceleration, een methode waarbij het felste punt van de laserpuls onafhankelijk van de lichtsnelheid in het plasma vooruit kan 'vliegen'. Deze flying focus wordt gemaakt met een speciaal gevormde spiegel, een axiparabola, die licht dat dichter bij het midden invalt naar een nabij brandpunt stuurt en licht aan de rand naar een verder gelegen punt. Zo ontstaat een langgerekte focuszone waarlangs het intensiteitspunt met bijna de lichtsnelheid vooruitschuift, in het tempo dat de onderzoekers zelf instellen. Voor het experiment gebruikten ze een mengsel van waterstof en argon: de laser ioniseert waterstof meteen en bouwt daarmee de golf op, terwijl argon pas bij de piekintensiteit elektronen loslaat en die gecontroleerd in de golf injecteert.

Meer dan twee keer zoveel energie

Met deze opstelling haalden de onderzoekers elektronen tot 396 ± 14 megaelektronvolt (MeV), meer dan het dubbele van de 185 MeV die de klassieke dephasinglimiet voor dezelfde omstandigheden voorspelt. De juiste plasmadichtheid bleek nauw af te bakenen: alleen tussen 4,5 en 5,4 biljoen deeltjes per kubieke centimeter kwam de golfsnelheid dicht genoeg bij de lichtsnelheid om dephasing echt te voorkomen. Arrowsmith noemt het een van die zeldzame momenten waarop experimentele data precies overeenkwamen met de voorspelling. De demonstratie is een proof of concept: vervolgonderzoek moet de bundelkwaliteit verbeteren en de techniek opschalen. Met een tweede optisch element, een echelon, hopen de onderzoekers de golfsnelheid nog preciezer af te stemmen. Volgens hun berekeningen zou een versneller van minder dan een meter lang voldoende zijn om 100 GeV te bereiken, ruwweg twintig keer korter dan wat een klassieke laser-plasmaversneller daarvoor nodig zou hebben.