Une nouvelle installation qui pourrait ouvrir la voie à une future génération de collisionneurs de particules et de sources lumineuses puissantes a été mise en service au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie. Fonctionnant en tant qu'installation utilisateur du DOE, FACET-II est la seule installation au monde capable de fournir des faisceaux d'électrons et de positons à haute énergie pour la recherche d'une vaste gamme de technologies d'accélérateur révolutionnaires qui pourraient réduire les futurs accélérateurs par des facteurs de 100 à 1, 000 et d'aiguiser leurs capacités.

"Les accélérateurs de particules sont les microscopes ultimes, " dit Mark Hogan, Scientifique du projet FACET-II. "Nous pouvons les utiliser pour fabriquer des faisceaux de haute énergie que nous pouvons entrer en collision pour comprendre les plus petites particules et les forces qui maintiennent l'univers ensemble, ou nous pouvons faire bouger les faisceaux d'avant en arrière pour créer de puissantes rafales de rayons X qui nous permettent de prendre des photos d'ultra-petites, processus atomiques ultrarapides pour comprendre la biologie et la chimie. FACET-II va nous aider à développer de nouvelles technologies qui vont nous permettre de construire des machines plus petites, moins cher et plus puissant."

Surfez

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, lorsque l'installation a été déclassée pour faire place à des mises à niveau du laser à rayons X à électrons libres du laboratoire, la source de lumière cohérente Linac (LCLS). FACET-II s'appuie sur les succès de FACET, où les scientifiques ont démontré qu'une technique appelée accélération du champ de sillage plasma peut augmenter l'énergie des électrons et de leurs particules d'antimatière, positrons. Dans cette méthode, les chercheurs envoient un tas de particules à haute énergie à travers un gaz ionisé chaud, ou plasma, créer un sillage de plasma pour qu'un groupe suiveur "surfe" dessus, montée en puissance à des énergies extrêmement élevées sur une courte distance.

Dans les accélérateurs conventionnels, les particules tirent de l'énergie d'un champ de radiofréquence à l'intérieur des structures métalliques. Étant donné que ces structures ne peuvent supporter qu'un gain d'énergie limité par distance avant de tomber en panne, les accélérateurs doivent être extrêmement longs pour atteindre des énergies plus élevées et sont coûteux à construire. L'approche du champ de sillage plasma a le potentiel de réduire considérablement la taille et le coût des accélérateurs de particules. Les futurs accélérateurs de plasma pourraient, par exemple, déployez la même puissance d'accélération que l'accélérateur linéaire en cuivre (linac) de 3 km de SLAC en quelques mètres seulement.

La prochaine génération

Pendant deux ans, les équipes du SLAC ont installé une source d'électrons à haute luminosité de pointe et de nouveaux systèmes de compresseur de paquets d'électrons pour produire des faisceaux intenses. Ils ont également amélioré les systèmes de contrôle de l'installation et installé des outils pour analyser les propriétés des faisceaux.

FACET-II produira des faisceaux d'électrons hautement énergétiques comme son prédécesseur, mais avec une qualité encore meilleure. La nouvelle installation utilise 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. Sa conception permet également aux chercheurs d'ajouter la capacité de produire et d'accélérer des positons, ce qui permettrait aux chercheurs de mieux comprendre l'accélération du champ de sillage du plasma et d'informer le développement de collisionneurs de particules électron-positon à base de plasma qui amélioreraient notre compréhension des particules et des forces fondamentales de la nature.

"Si nous allons utiliser l'accélération du champ de sillage du plasma pour fabriquer un collisionneur électron-positon pour la physique des hautes énergies, nous devons d'abord comprendre comment accélérer les positons dans le plasma, " dit Hogan. " Le SLAC est le seul laboratoire avec l'infrastructure nécessaire pour fournir des faisceaux de positons pour cette recherche. Nous espérons mettre cette capacité en ligne dans les prochaines années, qui distinguera FACET-II de toute autre installation dans le monde. »

L'installation aidera également les scientifiques à concevoir une nouvelle génération de sources lumineuses, tels que des lasers à rayons X plus brillants que jamais, et conduire à des améliorations des lasers à rayons X existants, tels que LCLS. Ces puissantes machines de découverte offrent aux scientifiques une vue imprenable sur le monde atomique en constante évolution et ouvrent de nouvelles voies allant de la physique des hautes énergies à la médecine et offrent des avantages potentiels pour la recherche sur les matériaux, sciences biologiques et énergétiques.

"Activer FACET-II, c'est comme ouvrir une porte derrière laquelle personne n'a jamais regardé, " déclare le directeur du projet Vitaly Yakimenko, Directeur de division FACET et directeur adjoint pour la science dans la division des accélérateurs du SLAC. "Il produira des faisceaux d'électrons cent fois plus intenses que tout ce qui a précédé et créera des opportunités scientifiques entièrement nouvelles."

Pousser l'innovation

En tant qu'installation utilisateur du DOE, FACET-II fonctionnera environ six mois par an, livrant des faisceaux à environ 25 expériences et accueillant environ 250 chercheurs universitaires, l'industrie et d'autres laboratoires nationaux.

Dans les mois à venir, le comité consultatif du programme FACET-II vérifiera l'état de préparation des expériences initiales choisies pour le temps de faisceau et examinera une deuxième série de propositions à mettre en attente pour la science à venir. Jusqu'en janvier, les équipes travailleront à mettre en ligne toutes les pièces de FACET-II et à obtenir le faisceau à la bonne énergie et qualité. Au fur et à mesure que les équipes installent du nouveau matériel expérimental, les utilisateurs travailleront en parallèle pour s'assurer que tout fonctionne correctement et capter les bons signaux.

Dans les premières expériences, devrait démarrer en février prochain, les chercheurs étudieront les moyens de préserver la qualité du faisceau, améliorer les techniques d'accélération du champ de sillage du plasma et générer et accélérer des positons. Ils développeront également Trojan Horse-II, une mise à jour d'une technique existante qui peut produire un faisceau d'électrons intense en "faisant glisser" des électrons dans le plasma.

FACET-II pourrait également potentiellement fournir un aperçu de la physique nouvelle et inattendue telle que les sursauts gamma, la forme la plus énergétique du rayonnement électromagnétique, et électrodynamique quantique à champ fort (QED), qui jouent tous deux un rôle important dans les phénomènes astrophysiques extrêmes tels que les rayons cosmiques et les étoiles qui explosent.

D'autres objectifs scientifiques incluent des accélérateurs de champ de sillage compacts qui utilisent certains isolants électriques au lieu du plasma, ainsi que des techniques d'apprentissage automatique qui mesureront et simuleront avec précision la physique de ces puissants faisceaux d'électrons pour aider les chercheurs à comprendre et contrôler les paquets ultracourts, augmenter l'efficacité et la productivité scientifique des programmes utilisateurs.

"Notre laboratoire a été construit sur la technologie des accélérateurs et continue de pousser les innovations dans le domaine, " dit Bruce Dunham, chef de la direction des accélérateurs du SLAC. « FACET-II est une installation révolutionnaire qui nous aidera à rester à la pointe de la science des accélérateurs. »