SLAC, En Güçlü Submikron Elektron Işınını Ateşledi: Peki Ne İşe Yarayacak?
Bilim insanları, milyarlarca elektronu bir arada sıkıştırmak için lazerleri dikkatlice yerleştirerek daha önce hiç olmadığı kadar güçlü bir ışın oluşturdu.
SLAC’taki araştırmacılar, daha önce üretilen her şeyden beş kat daha büyük, rekor kıran tepe akımına sahip ultra kısa bir elektron ışını oluşturarak hızlandırıcı fiziğinde önemli bir kilometre taşına imza attılar. Lazer tabanlı bir teknikte ustalaşan araştırmacılar, elektronları inanılmaz derecede küçük bir alana sıkıştırırken ışın kalitesini de koruyarak bu alanda uzun süredir devam eden bir zorluğun üstesinden geldiler.
Bu atılım, kuantum fiziği, malzeme bilimi ve astrofizikteki fenomenleri keşfetmek için, laboratuvarda yıldız benzeri filamentlerin yeniden yaratılması da dahil olmak üzere benzeri görülmemiş bir hassasiyet sağlıyor. Işının gücü ve çok yönlülüğü şimdiden yeni araştırmaları tetikliyor ve deneysel fizikte mümkün olanın sınırlarını zorluyor.
Elektron Işını Gücünde Dev Bir Sıçrama
SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki bilim insanları, Dünya’da daha önce kendi türündeki herhangi bir ışının beş katı tepe akımına sahip ultra kısa bir elektron ışını yarattı.
Physical Review Letters dergisinde yayınlanan bir makalede ayrıntıları verilen bu buluş, parçacık hızlandırıcı ve ışın fiziğindeki en büyük zorluklardan birinin üstesinden geliyor: kaliteden ödün vermeden yüksek güçlü elektron ışınları üretmek. Ayrıca kuantum kimyası, astrofizik ve malzeme bilimi de dahil olmak üzere bir dizi alanda araştırma için yeni olanaklar sunuyor.
Enerji Bakanlığı’nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nda görevli bir bilim insanı olan ve SLAC’ın Gelişmiş Hızlandırıcı Deneysel Testleri Tesisinde (FACET-II) araştırmacı ve yeni çalışmanın başyazarlarından biri olan Claudio Emma, “Sadece bu kadar güçlü bir elektron ışını oluşturmakla kalmıyoruz, aynı zamanda ışını özelleştirilebilir ve isteğe bağlı olarak kontrol edebiliyoruz, bu da daha önce hiç olmadığı kadar geniş bir yelpazedeki fiziksel ve kimyasal olayları inceleyebileceğimiz anlamına geliyor” dedi.
Claudio Emma ve Brendan O’Shea 2022 yılında FACET-II’deki deney düzeneğini inceliyor. Kredi: Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı.
Güç Dengesi
Hızlandırıcı ve Işın Fiziği Yol Haritası’nda (2022) vurgulandığı gibi, alanın uzun süredir devam eden hedeflerinden biri, hem son derece güçlü hem de hassas bir şekilde kontrol edilen elektron ışınları geliştirmek olmuştur. Şimdiye kadar, bir ışının gücünü artırmak genellikle kalitesini düşürmek anlamına geliyordu ve bu da birçok gelişmiş deneyde ilerlemeyi sınırlayan bir değiş tokuş anlamına geliyordu.
Geleneksel olarak, elektron ışınını sıkıştırmak ve odaklamak için bir mikrodalga alanı kullanılır. Alan içindeki elektronlar kademelendirilir, böylece daha arkadakiler öndekilerden daha fazla enerjiye sahip olur. Emma, bunun bir tür koşu yarışının başlangıcında koşucuların sendelemesi gibi olduğunu açıkladı. “Daha sonra onları bir virajın etrafına gönderiyoruz, böylece arkadaki elektronlar öndeki elektronları yakalıyor ve sonunda, odaklanmış bir ışında bir grup elektronunuz oluyor.”
Bu yaklaşımla ilgili sorun, elektronların hızlandıkça radyasyon yayması ve enerji kaybetmesi, dolayısıyla ışının kalitesinin bozulmasıdır. Bu da ışın enerjisi ve kalitesi arasında bir değiş tokuş yaratıyor. Emma, “Hem mikron altı ölçekte elektron demetlerini sıkıştırmak hem de ışın kalitesini korumak için geleneksel yöntemleri uygulayamayız” dedi.
Yeni çalışmanın merkezinde, araştırmacıların elektron ışınlarını sıkı bir şekilde kontrol etmelerini sağlayan bir cihaz olan lazer ısıtıcı undülatör yer alıyor. Kredi: Claudio Emma.
Kazanmak için Lazerler
Bu sorunu çözmek için SLAC araştırmacıları, SLAC’ın Linac Coherent Light Source (LCLS) gibi X-ışını serbest elektron lazerleri için orijinal olarak geliştirilen lazer tabanlı bir şekillendirme tekniği kullanarak milyarlarca elektronu bir mikrometreden daha kısa bir uzunluğa sıkıştırdı. Emma, “Lazer kullanmanın en büyük avantajı, mikrodalga alanlarıyla yapabileceğimizden çok daha hassas bir enerji modülasyonu uygulayabilmemizdir” dedi.
Ancak bu, bir tünelden aşağıya birkaç lazer atmak kadar basit değil. Emma, “Bir kilometre uzunluğunda bir makinemiz var ve lazer ilk 10 metrede ışınla etkileşime giriyor, bu nedenle şekillendirmeyi tam olarak doğru yapmanız gerekiyor, ardından bu modülasyonu kaybetmeden ışını bir kilometre daha taşımanız ve sıkıştırmanız gerekiyor” dedi. “Yani kolay değildi.”
Birkaç ay süren testlerden ve lazer şekillendirme tekniklerini geliştirdikten sonra, Emma ve ekibi artık tekrar tekrar yüksek enerjili, femtosaniye süreli, petawatt tepe gücünde elektron ışınları üretebiliyor.
Ezber Bozan Bilimsel Bir Araç
Bu yeni ışın, bilim insanlarının kuantum fiziği, malzeme bilimi ve astrofizikteki hipotezleri test etmek de dahil olmak üzere bir dizi doğal fenomeni incelemesine olanak tanıyacak.
Örneğin astrofizikte, bu ışın katı veya gaz bir hedefe yönlendirilerek yıldızlarda görülenlere benzer bir filament oluşturulabilir. Emma, “Bilim insanları bu filamentlerin oluştuğunu biliyor, ancak şimdi bunların nasıl oluştuğunu ve geliştiğini daha önce sahip olmadığımız bir güçle laboratuvarda test edebiliyoruz” dedi.
Gerçek Dünya Uygulamaları Çoktan Başladı
FACET-II’deki diğer araştırmacılar bu daha güçlü ışına atladılar ve şimdiden bunu plazma wakefield teknolojisini geliştirmek için kullandılar. Emma, LCLS’nin mevcut attosaniye yeteneklerini daha da geliştirerek ve daha da öncü bilimi teşvik ederek attosaniye ışık atımları yapmak için bu ışınları daha da sıkıştırma olasılığı konusunda özellikle heyecan duyuyor. Emma, “Hızlı bir kamera olarak ışına sahipseniz, o zaman çok kısa bir ışık atımına da sahip olursunuz ve şimdi aniden iki tamamlayıcı probunuz olur” diye açıkladı. “Bu eşsiz bir yetenek ve bununla pek çok şey yapabiliriz.”
Emma ve meslektaşları bu yeni elektron ışınının getireceği beklentiler konusunda heyecanlılar. “FACET-II’de insanların gelip deneylerini yapabilecekleri gerçekten heyecan verici ve ilginç bir tesisimiz var” dedi. “Ekstrem bir ışına ihtiyacınız varsa, sizin için bir aracımız var ve birlikte çalışalım.”
Kaynak: https://scitechdaily.com
Schrödinger’in Kedisi Gerçek mi Oluyor? Kuantum Fiziğinde Büyük Sıçrama!