Laserski puls 'letećeg fokusa' omogućio udvostručenje energije u akceleratorima čestica

Istraživači su u novoj studiji objavljenoj u časopisu Nature Physics ubrzali elektrone na više od dva puta veću energiju od one koju predviđa tradicionalno ograničenje za lasersko-plazma akceleratore koji djeluju na istoj udaljenosti. To je omogućeno upotrebom posebno kreiranog laserskog pulsa nazvanog 'leteći fokus', koji otklanja dugogodišnje ograničenje poznato kao defaziranje.

Lasersko-plazma akceleratori koriste intenzivan, ultrakratak laserski puls da pokrenu talas naelektrisanja kroz plazmu. To u principu omogućava ubrzavanje čestica do veoma visokih energija na samo nekoliko centimetara, umjesto na kilometrima potrebnim kod konvencionalnih akceleratora.

Problem je u tome što ubrzavajući plazma talas ne može održati korak sa elektronima koji ga jašu. Elektroni se kreću brzinom bliskom brzini svjetlosti, ali laserski puls koji pokreće talas putuje nešto sporije. Na daljinu, elektroni uspijevaju da preteknu plazma talas. Ovo defaziranje uzrokuje da elektroni prestanu dobijati energiju, što utiče na količinu energije koju takvi akceleratori mogu isporučiti.

Doktor Čarli Arosmit, naučni saradnik na Laboratoriji za lasersku energetiku Univerziteta Ročester i prvi autor studije, objasnio je da do defaziranja dolazi kada ultra-relativistički elektroni koji se ubrzavaju u talasu počnu stizati laserski puls koji pokreće talas. Kada se to desi, ubrzavanje se prerano završava i elektroni prestaju dobijati energiju.

Fizičari su godinama pokušavali da zaobiđu ovaj problem, uglavnom sniženjem gustine plazme, što produžava distancu koju elektron može preći prije nego što dođe do defaziranja. Tako su trenutni najnapredniji akceleratori dostigli 10 gigaelektronvolti u jednom stepenu. Međutim, niža gustina takođe slabi ubrzavajuće polje, što znači da su potrebne veće energije lasera kao kompenzacija.

Tim je za eliminisanje defaziranja iskoristio tehniku nazvanu ubrzavanje laserskim talasima bez defaziranja, teorijski predloženu 2020. godine. Ideja je da se brzina plazma talasa potpuno odvoji od grupne brzine laserskog pulsa, koristeći 'leteći fokus'. Ovaj laserski puls je kreiran tako da se njegova tačka najvećeg intenziteta može pomjerati naprijed odabranom brzinom, nezavisno od toga koliko brzo samo svjetlo putuje kroz plazmu.