Le SLAC modernise son installation de tests expérimentaux d'accélérateurs avancés (FACET) - un banc d'essai pour les nouvelles technologies qui pourraient révolutionner la façon dont nous construisons des accélérateurs de particules. FACET-II utilisera le tiers médian de l'accélérateur linéaire de 3 km de long du laboratoire (plan SLAC en haut). Il enverra un faisceau d'électrons (en bas, ligne bleue) de la source d'électrons (en bas à gauche) à la zone expérimentale (en bas à droite), où il arrivera avec une énergie de 10 milliards d'électronvolts. La conception permet d'ajouter la capacité de produire et d'accélérer des positons (en bas, ligne rouge) plus tard. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)
Le laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie a commencé à assembler une nouvelle installation pour les technologies d'accélérateur révolutionnaires qui pourraient faire des futurs accélérateurs 100 à 1, 000 fois plus petits et doper leurs capacités.
Le projet est une mise à niveau de l'installation pour les tests expérimentaux d'accélérateurs avancés (FACET), une installation utilisateur du DOE Office of Science qui a fonctionné de 2011 à 2016. FACET-II produira des faisceaux d'électrons hautement énergétiques comme son prédécesseur, mais avec une qualité encore meilleure. Ces faisceaux seront principalement utilisés pour développer des techniques d'accélération de plasma, ce qui pourrait conduire à des collisionneurs de particules de nouvelle génération qui améliorent notre compréhension des particules et des forces fondamentales de la nature et à de nouveaux lasers à rayons X qui nous offrent une vue inégalée des processus ultrarapides dans le monde atomique qui nous entoure.
FACET-II sera une installation unique qui aidera à maintenir les États-Unis à la pointe de la science des accélérateurs, a déclaré Vitaly Yakimenko du SLAC, directeur de projet. « Ses faisceaux de haute qualité nous permettront de développer de nouvelles méthodes d'accélération, " dit-il. " En particulier, ces études nous rapprocheront de la transformation de l'accélération du plasma en applications scientifiques réelles. »
Le DOE a maintenant approuvé le projet de 26 millions de dollars (Décisions critiques 2 et 3). La nouvelle installation, qui devrait être achevé d'ici la fin de 2019, fonctionnera également en tant qu'installation d'utilisateurs de l'Office of Science - une installation de recherche parrainée par le gouvernement fédéral pour la recherche avancée sur les accélérateurs disponible sur un marché concurrentiel, base d'évaluation par des pairs à des scientifiques du monde entier.
« En tant qu'installation d'utilisateurs nationale d'importance stratégique, FACET-II nous permettra d'explorer la faisabilité et les applications de la technologie des accélérateurs à plasma, " dit James Siegrist, directeur associé du programme High Energy Physics (HEP) du DOE’s Office of Science, qui gère la R&D avancée des accélérateurs aux États-Unis pour le développement d'applications dans la science et la société. "Nous sommes impatients de voir la science révolutionnaire dans ce domaine que promet FACET-II, avec le potentiel de réduction significative de la taille et du coût des futurs accélérateurs, y compris les lasers à électrons libres et les accélérateurs médicaux."
Bruce Dunham, chef de la direction des accélérateurs du SLAC, mentionné, "Notre laboratoire a été construit sur la technologie des accélérateurs et continue de pousser les innovations dans le domaine. Nous sommes ravis de voir FACET-II aller de l'avant."
Les chercheurs utiliseront FACET-II pour développer la méthode d'accélération du champ de sillage plasma, dans lequel les chercheurs envoient un tas de particules très énergétiques à travers un gaz ionisé chaud, ou plasma, créant un sillage de plasma pour qu'un groupe suiveur puisse «surfer» et gagner de l'énergie. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Surfer sur le sillage plasma
La nouvelle installation s'appuiera sur les succès de FACET, où les scientifiques ont déjà démontré que la technique du plasma peut augmenter très efficacement l'énergie des électrons et de leurs particules d'antimatière, positrons. Dans cette méthode, les chercheurs envoient un tas de particules très énergétiques à travers un gaz ionisé chaud, ou plasma, créant un sillage de plasma pour qu'un groupe suiveur puisse "surfer" et gagner de l'énergie.
Dans les accélérateurs conventionnels, les particules tirent de l'énergie d'un champ de radiofréquence à l'intérieur des structures métalliques. Cependant, ces structures ne peuvent supporter qu'un gain d'énergie limité par distance avant de s'effondrer. Par conséquent, les accélérateurs qui génèrent de très hautes énergies deviennent très longs, et très cher. L'approche du champ de sillage plasma promet d'innover. Les futurs accélérateurs de plasma pourraient, par exemple, déployez la même puissance d'accélération que l'accélérateur historique en cuivre (linac) de 3 km de SLAC en quelques mètres seulement.
Les chercheurs utiliseront FACET-II pour des développements cruciaux avant que les accélérateurs à plasma ne deviennent une réalité. "Nous devons montrer que nous sommes capables de préserver la qualité du faisceau lors de son passage dans le plasma, " a déclaré Mark Hogan du SLAC, Scientifique du projet FACET-II. « Des faisceaux de haute qualité sont une exigence absolue pour les futures applications en physique des particules et des lasers à rayons X. »
L'installation FACET-II est actuellement financée pour fonctionner avec des électrons, mais sa conception permet d'ajouter la capacité de produire et d'accélérer des positons plus tard, une étape qui permettrait le développement de collisionneurs de particules électron-positon à base de plasma pour les expériences de physique des particules.
Un autre objectif important est le développement de nouvelles sources d'électrons qui pourraient conduire à des sources lumineuses de nouvelle génération, tels que des lasers à rayons X plus brillants que jamais. Ces puissantes machines de découverte offrent aux scientifiques une vision sans précédent du monde atomique en constante évolution et ouvrent de nouvelles voies pour la recherche en chimie, biologie et science des matériaux.
Les autres objectifs scientifiques de FACET-II incluent des accélérateurs de champ de sillage compacts qui utilisent certains isolants électriques (diélectriques) au lieu du plasma, ainsi que des outils de diagnostic et de calcul qui mesureront et simuleront avec précision la physique des puissants faisceaux d'électrons de la nouvelle installation. Les objectifs scientifiques sont en cours d'élaboration avec la contribution régulière de la communauté des utilisateurs de FACET.
Les futurs collisionneurs de particules nécessiteront des méthodes d'accélération hautement efficaces pour les électrons et les positons. Accélération du champ de sillage plasma des deux types de particules, comme le montre cette simulation, pourrait conduire à des collisionneurs plus petits et plus puissants que les machines d'aujourd'hui. Crédit :F. Tsung/W. Un/UCLA ; Greg Stewart/Laboratoire national des accélérateurs SLAC
"L'approbation de FACET-II est une étape passionnante pour la communauté scientifique, " dit Chandrashekhar Joshi, un chercheur de l'Université de Californie, Los Angeles, et collaborateur de longue date de l'équipe d'accélération plasma du SLAC. "L'installation repoussera les limites de la science des accélérateurs, découvrir une physique nouvelle et inattendue et contribuer de manière substantielle à l'effort coordonné du pays en matière de R&D avancée sur les accélérateurs."
Accès accéléré aux premières expériences
Pour compléter l'installation, les équipes installeront une source d'électrons et des aimants pour comprimer les paquets d'électrons, ainsi qu'un nouveau blindage, a déclaré Carsten Hast du SLAC, Directeur technique FACET-II. "Nous allons également mettre à niveau les systèmes de contrôle de l'installation et installer des outils pour analyser les propriétés du faisceau."
FACET-II utilisera un kilomètre (un tiers) du linac SLAC - envoyant des électrons de la source à une extrémité à la zone expérimentale à l'autre extrémité - pour générer un faisceau d'électrons d'une énergie de 10 milliards d'électronvolts qui entraînera le programme de recherche polyvalent de l'établissement.
FACET-II a lancé son premier appel à propositions pour des expériences qui se dérouleront lors de la mise en ligne de l'installation en 2020.
"L'équipe du projet a fait un travail remarquable en obtenant l'approbation du DOE pour l'installation, " a déclaré Hannibal Joma du DOE, directeur fédéral du projet FACET-II. « Nous allons maintenant livrer le projet à temps pour le programme utilisateur au SLAC. »
Selina Green du SLAC, chef de projet, mentionné, « Après deux ans de travail acharné, c'est très excitant de voir enfin le projet aboutir. Grâce au soutien continu du DOE, nous serons bientôt en mesure d'ouvrir FACET-II pour une nouvelle science révolutionnaire."
