画期的！ 高強度レーザー粒子ビームエネルギーが80億電子ボルトに達する

BELLAセンター（Berkeley Lab Laser Accelerator、Berkeley Laser Accelerator Center）は、長さ20センチのキャピラリー放電導波路を使用して、高強度のレーザーパルスを誘導し、加速された電子の新しい記録80億電子ボルト（GeV）を作成します。

非常に小さなスポットに焦点を合わせた高出力レーザーパルスは超高強度に達することができ、科学研究から産業や医学までさまざまなアプリケーションを可能にします。バークレーラボのBELLAレーザー加速器センターでは、同じエネルギーに到達する従来の加速器よりも数千倍短い粒子加速器を構築するための鍵は強度です。ただし、レーザープラズマ加速器（LPA）は、回折によって急速に拡大する焦点だけでなく、持続的な強度を生成するためにより長い加速器を必要とします。
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持続的な強度を達成するために、エネルギー省のローレンスバークレー国立研究所のベラセンターは、光パルスを送信するためにプラズマを含む薄い中空構造または「毛細管」を使用しています。センターの研究者たちは、レーザープラズマ加速器を使用してより高いビームエネルギーを目指して、ますます長いキャピラリーに取り組んでいます。





50000mw青色レーザー


彼らの最新の研究は、これらのプラズモン導波路が非常に安定しており、再現性のある高品質であり、これらの特性が最大40cmの長さの導波路で維持できることを前例のない精度で示しています。これは、BELLAセンターが高エネルギーに進むにつれて、この低電力増幅器の重要な技術を大規模に適用できることを意味し、生物医学研究、治療、および研究施設での自由電子レーザー光源の継続的な開発に役立ちます。








この作品は、ポスドク研究員のMarlene Turnerが主導し、研究者のAnthony Gonsalvesと協力して、「高出力レーザー科学と工学」の最新の研究を発表しました。ベラセンターの加速器技術および応用物理学部門のディレクターであるキャメロン・ゲデスは、次のように述べています。アクティブなレーザーフィードバック制御の必要性。









プラズマチャネル-強いパルスに対して一貫したガイダンスを提供します









光ファイバは、数千キロメートルにわたってレーザービームパルスを送信できます。これは、現代のコンピューターネットワークでは非常に一般的です。しかし、BELLAセンターで使用される高いレーザー強度（地球の表面の太陽光よりも20桁強い）により、レーザーフィールドはその親原子からほぼ瞬時に電子を除去し、それによってガラス繊維などの固体材料を破壊することができます。プラズマだけが「繊維」として使われます。プラズマは、電子が原子から取り除かれた特別な物質の状態です。










Marlene Turner（右）はAnthony Gonsalvesと協力しています。流行の予防と管理が必要なため、両者はマスクを着用しています。写真：Thor Swift / Berkeley Lab








BELLA Centerは、プラズマを使用して最大20 cmの長さのレーザーパルスを誘導し、これまでで最高のレーザー駆動粒子エネルギーを実現します。プラズマは、キャピラリーチューブ内の放電によって生成されます。これは、レーザーパルスによって生成された超高電界での電子の「サーフィン」として想像できます。レーザーの集束時間が長いほど、これらの電子の速度は速くなります。








ただし、放電中のガスの破壊は、本質的に暴力的でほとんど制御されていないプロセスである、小さな制限された落雷として想像することができます。センターの研究者は、あるレーザーパルスから別のレーザーパルスへの導波路特性の再現性と、各レーザーパルスをどれだけうまく誘導できるかを理解する必要があります。光ファイバ導波路と同様の結果を得るには、プラズマ密度が中央で最も低く、プロファイルで放物線状である必要があります。ゴンサルベス氏は次のように述べています。「プラズマを使用してレーザーパルススポットの放物線プロファイルをガイドし、品質を損なうことなくパルスを導波路内で伝搬できることを、これまでにない精度で示しました。」








これらの方法を使用すると、他のタイプのプラズマ導波路も高精度で測定できます。キャピラリーは非常に耐久性がありますが、その中の導波路プラズマは毎回再形成されるため、測定精度は、あるレーザーショットから別のレーザーショットへの密度分布の変化を研究するために重要です。チームは調査を使用し、その優れた安定性と再現性を発見しました。 BELLAセンターのディレクターであるEricEsarey氏は、次のように述べています。「これらの結果と、機械学習テクノロジーを使用した継続的なアクティブフィードバック作業は、レーザープラズマ加速器の安定性と使いやすさを向上させるための重要なステップです。









プラズマ誘導レーザーパルス-前方への道を照らす









レーザープラズマ加速技術は、粒子加速器のサイズとコストを削減し、それによって研究と探査の可用性を高め、次世代の高エネルギー物理粒子コライダーの可能性を提供します。粒子ビームのエネルギーを増加させ、現在の80億電子ボルトの記録を超えるようにするには、2つの重要な方法があります。別の加速モジュールの入力。加速プラズマチャネルの品質と品質の一貫性と再現性を検証することで、将来の研究の確固たる基盤を築くことができます。










MarleneTurnerは長さ40cmの毛細管を検査しています






このキャピラリーベースの導波路の高品質で安定した品質を研究することに加えて、チームは導波路の長さを40 cmに延長しました。これは、現在の記録破りのエネルギー導波路の2倍です。ターナーはこれに非常に自信を持っており、現在開発されている長さ40cmの精密導波管がこれらのエネルギーをより高く押し上げることができると信じています。この作業は、米国エネルギー省の科学高エネルギー物理学局によってサポートされていました。