Laser-plasmaversneller: deeltjesversnelling op een tafelblad
Een laser-plasmaversneller is een apparaat dat geladen deeltjes, meestal elektronen, over een extreem korte afstand tot enorme snelheden versnelt. Dat gebeurt niet met de kilometerslange metalen buizen en magneten van een klassieke deeltjesversneller, maar met een razendkorte, extreem felle laserflits die door een wolkje elektrisch geladen gas wordt geschoten, plasma genoemd. De laser trekt als het ware een golf door dat plasma, en deeltjes die precies op het juiste moment instappen "surfen" op die golf mee tot hoge snelheid, in een paar centimeter in plaats van tientallen meters.
Vergelijk het met een surfer op zee. Een grote golf tilt iemand die er goed op instapt in één keer mee tot hoge snelheid, zonder dat er gepeddeld hoeft te worden. Een klassieke deeltjesversneller werkt meer als peddelen: elektronen krijgen stap voor stap, meter na meter, een klein duwtje van radiogolven totdat ze snel genoeg zijn. De golf in het plasma doet in principe hetzelfde werk, maar dan geconcentreerd op een afstand die wel duizend keer korter kan zijn.
Wat is het precies?
Plasma is een gas waarin atomen hun elektronen kwijt zijn geraakt. Er zweven dan losse, negatief geladen elektronen en positief geladen ionen (de overgebleven atoomkernen) door elkaar. Om plasma te maken, schiet men een extreem korte laserpuls, vaak maar enkele tientallen femtoseconden lang (een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste seconde), door een straaltje gas. De laser is zo intens dat hij het gas in een oogwenk ioniseert.
Diezelfde laserpuls duwt door zijn stralingsdruk de lichte elektronen opzij, terwijl de veel zwaardere ionen vrijwel stil blijven staan. Achter de laserpuls schieten de weggeduwde elektronen weer terug naar binnen, schieten door, en veroorzaken zo een golvende beweging: een oscillatie van elektronendichtheid die achter de laser aan reist. Dit heet een kielzogveld, naar analogie van het kielzog achter een boot.
Bij voldoende hoge laserintensiteit ontstaat een bijzondere vorm van dit kielzog: een soort bubbel, een gebied vlak achter de laserpuls dat volledig leeg is van elektronen, omringd door een dunne schil van elektronen. In en rond die bubbel staan elektrische velden van naar schatting tientallen tot honderd gigavolt per meter. Elektronen die op het juiste moment in de bubbel terechtkomen, worden erin meegesleurd en over een afstand van centimeters versneld tot energieën die in een klassieke versneller vele meters tot kilometers zouden kosten.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is compactheid. Conventionele versnellers gebruiken metalen holtes (cavities) die met radiogolven worden gevoed. Daarin kan het elektrisch veld niet oneindig hoog worden opgevoerd, omdat het materiaal dan doorslaat, ongeveer te vergelijken met een blikseminslag in een te sterk elektrisch veld. Daardoor blijft de haalbare versnelling beperkt tot ruwweg honderd megavolt per meter. Plasma heeft geen vaste structuur die kan doorslaan, en kan daarom velden verdragen die honderd tot duizend keer sterker zijn.
Als dat idee praktisch wordt uitgewerkt, zou een versneller die nu een gebouw van honderden meters vult, in theorie in een paar tafels kunnen passen. Dat maakt geavanceerde deeltjesbundels in potentie veel toegankelijker en goedkoper, niet alleen voor grote laboratoria maar mogelijk ook voor universiteiten en ziekenhuizen.
Concrete toepassingen die onderzoekers voor ogen hebben zijn compacte röntgen- en EUV-bronnen voor materiaalonderzoek, compacte vrije-elektronenlasers voor het bestuderen van moleculen en biologische structuren, en medische toepassingen zoals compacte elektronenbronnen voor stralingstherapie. Op de lange termijn wordt ook gedroomd van een compacte deeltjesbotser voor fundamenteel natuurkundig onderzoek, als alternatief voor de kilometerslange botsers die nu gebruikt worden.
Voorbeelden uit de praktijk
Het idee is niet nieuw: de natuurkundigen Toshiki Tajima en John Dawson stelden het concept van laser-plasmaversnelling al in 1979 voor, lang voordat de benodigde krachtige, kortgepulste lasers bestonden.
Een belangrijke doorbraak volgde in 2004, toen drie onderzoeksgroepen, aan het Laboratoire d'Optique Appliquée in Frankrijk, aan het Lawrence Berkeley National Laboratory in de Verenigde Staten en een Brits team rond Imperial College London, in hetzelfde nummer van het tijdschrift Nature vrijwel gelijktijdig lieten zien dat een laser-plasmaversneller elektronenbundels kon produceren met een smalle, voorspelbare energieverdeling in plaats van een brede, rommelige spreiding. Deze resultaten werden destijds de "dream beam"-experimenten genoemd, omdat ze voor het eerst bruikbare, reproduceerbare bundels opleverden.
Een ander mijlpaalresultaat kwam in 2019, toen onderzoekers van het BELLA Center bij het Lawrence Berkeley National Laboratory in Physical Review Letters rapporteerden dat ze elektronen tot een energie van ongeveer 7,8 gigaelektronvolt hadden versneld in een enkele plasmatrap van slechts enkele centimeters lang, met behulp van een petawattlaser die door een dunne capillaire buis werd geleid om de laserpuls over die afstand gefocust te houden.
Om ooit tot nog hogere energieën te komen, moeten meerdere plasmatrappen na elkaar geschakeld worden, vergelijkbaar met het aan elkaar koppelen van opeenvolgende versnellingssecties in een klassieke versneller. Onderzoekers van hetzelfde Amerikaanse laboratorium demonstreerden in 2016, in een publicatie in Nature, dat het mogelijk is om een elektronenbundel van de ene plasmatrap over te dragen aan een tweede trap en daar verder te versnellen, een belangrijke stap richting zulke gekoppelde systemen.
In Europa loopt sinds enkele jaren het EuPRAXIA-project, een samenwerkingsverband van tientallen onderzoeksinstituten dat een echte gebruikersfaciliteit op basis van plasmaversnelling wil bouwen, met het Italiaanse onderzoeksinstituut INFN in Frascati als beoogde hoofdlocatie en aanvullende activiteiten bij DESY in Hamburg. Ook de Franse laserfaciliteit Apollon, onderdeel van het onderzoekscentrum CILEX nabij Parijs en ontworpen voor vermogens tot in de tien petawatt, wordt gebruikt om plasmaversnelling bij hogere energieën te onderzoeken.
Hoe ver is de techniek?
Sinds het theoretische voorstel uit 1979 is er duidelijk vooruitgang geboekt: van de eerste ruwe experimenten met brede energiespreiding, via de doorbraak van 2004, naar de eerste bundel met een energie van ongeveer één gigaelektronvolt in 2006 en de bijna acht gigaelektronvolt van 2019. Het basisprincipe is dus overtuigend aangetoond in laboratoria.
Toch is de weg naar praktische toepassingen nog lang. Een aantal problemen is nog niet opgelost. De bundelkwaliteit, met name de spreiding in energie en de richtingsstabiliteit van schot tot schot, is doorgaans nog minder goed dan bij conventionele versnellers. De meeste experimenten draaien bovendien met een lage herhalingsfrequentie, vaak maar enkele keren per seconde, terwijl praktische toepassingen typisch duizenden pulsen per seconde nodig hebben. Het betrouwbaar aan elkaar koppelen van meerdere plasmatrappen is technisch lastig gebleken, en de hoogvermogenlasers die nodig zijn, zetten nog maar een klein deel van de elektriciteit die ze verbruiken daadwerkelijk om in bruikbare laserenergie.
Er bestaat geen betrouwbare inschatting van wanneer, of zelfs of, deze problemen allemaal opgelost raken. Realistisch gezien liggen de eerste praktische toepassingen waarschijnlijk bij kleinere systemen, zoals compacte röntgenbronnen voor onderzoek of medische toepassingen, eerder dan bij een vervanging van de grote versnellers die nu in de deeltjesfysica gebruikt worden.
Wie werken eraan?
Het Lawrence Berkeley National Laboratory in de Verenigde Staten, met zijn BELLA Center, geldt als een van de meest toonaangevende onderzoeksgroepen op dit gebied. In Frankrijk zijn het Laboratoire d'Optique Appliquée en de laserfaciliteit Apollon binnen het CILEX-samenwerkingsverband actief. In het Verenigd Koninkrijk doen onderzoekers van Imperial College London en het Rutherford Appleton Laboratory al sinds de vroege experimenten mee, en in Duitsland is DESY in Hamburg betrokken, onder meer via het Europese EuPRAXIA-project met INFN in Frascati, Italië, als beoogde hoofdlocatie.
Ook het Amerikaanse SLAC National Accelerator Laboratory doet met zijn FACET-II-faciliteit verwant onderzoek naar plasmaversnelling, al gebruikt men daar meestal een deeltjesbundel in plaats van een laser om het plasma aan te drijven, een net iets andere techniek. Verder zijn onderzoeksgroepen in China, onder meer aan de Shanghai Jiao Tong University, actief op dit terrein. Het onderzoek wordt overwegend gefinancierd door nationale onderzoeksinstellingen en, in Europa, mede via gezamenlijke EU-programma's zoals EuPRAXIA.