Tafelmodel fysica: hoe een record van acht uur in Berkeley het tijdperk van betaalbare versnellers dichterbij brengt

Deeltjesversnellers zijn lange tijd het exclusieve domein geweest van gigantische nationale laboratoria. Om elektronen tot de gewenste snelheden op te zweepen, hebben natuurkundigen kilometerslange tunnels en budgetten nodig die vergelijkbaar zijn met het bbp van kleine landen. Maar wat als een krachtig instrument voor materieonderzoek in een gewoon universitair laboratorium zou passen?

Specialisten van het BELLA-centrum in het Berkeley Lab zijn deze realiteit nu zeer dicht genaderd. Ze demonstreerden de werking van een laser-plasmaversneller (LPA) die acht uur lang stabiel bleef. Voor deze technologie is zo'n resultaat een enorme stap voorwaarts. Voorheen deden dergelijke installaties denken aan nukkige raceauto's: ze leverden recordprestaties, maar gingen kapot of vereisten elke tien tot vijftien minuten een handmatige aanpassing.

Wat is het geheim achter dit uithoudingsvermogen? Onderzoekers hebben een systeem voor actieve feedback geïmplementeerd. Computeralgoritmen analyseren elke seconde tientallen parameters van de laserstraal en het plasma en voeren microscopische correcties uit. Dit heeft het wetenschappelijke experiment veranderd in een betrouwbaar instrument.

Waarom is dit belangrijk voor ons? Op basis van dergelijke versnellers werken vrije-elektronenlasers (FEL). Deze genereren röntgenstraling van een ongelooflijke helderheid, waardoor het letterlijk mogelijk wordt om een 'film' te maken van hoe moleculen bewegen tijdens chemische reacties of hoe virussen een cel binnendringen.

Vandaag de dag moet een wetenschapper voor een dergelijk onderzoek een jaar van tevoren een aanvraag indienen en naar de andere kant van de wereld reizen naar het enige synchrotron op het continent. Morgen — en dat is geen sciencefiction meer — zou dergelijke diagnostiek beschikbaar kunnen zijn in grote medische centra of bij de productie van geavanceerde chips.

Zijn we klaar voor een wereld waarin fundamentele fysica niet langer 'onbetaalbaar' is, maar een praktisch instrument voor de ingenieur wordt? Waarschijnlijk zal deze overgang de snelheid van de ontwikkeling van nieuwe medicijnen en materialen sterker veranderen dan we ons nu kunnen voorstellen. Het is de weg naar de democratisering van de hogere wetenschap.

De hoge-energiefysica heeft de grenzen van de gigantische tunnels officieel overschreden. De onderzoeksgroep van het BELLA Center (Berkeley Lab Laser Accelerator) heeft aangetoond dat een compacte laser-plasmaversneller kan werken met de betrouwbaarheid van industriële apparatuur. Tijdens het experiment hield de installatie gedurende 8 uur een stabiele straling in stand, wat voorheen als fysiek onhaalbaar werd beschouwd voor 'tafelmodellen' vanwege de extreme gevoeligheid van plasmagolven voor de kleinste schommelingen in de omgeving.

Traditionele deeltjesversnellers, zoals de LHC of LCLS-II, kosten miljarden dollars en beslaan kilometers aan oppervlakte. De LPA-FEL technologie gebruikt een krachtige laser om een 'kielzog' in plasma te creëren, waarop elektronen 'surfen' en in slechts enkele centimeters een enorme energie opbouwen. Tot op heden leken dergelijke systemen echter op wispelturige prototypes: ze gaven een krachtige impuls, maar vielen snel uit door thermische uitzetting en degradatie van de optica.

Waarom dit belangrijk is en hoe dit 'tafelmodel' röntgenbronnen dichterbij brengt

Traditionele synchrotrons en XFEL's (röntgen vrije-elektronenlasers) zijn gigantische constructies van honderden meters of kilometers lang (bijvoorbeeld de European XFEL — 3,4 km). Ze kosten honderden miljoenen dollars en zijn alleen toegankelijk voor grote nationale centra.

De laser-plasmaversneller verkort de versnellingsfase van kilometers naar millimeters of centimeters. Als de energie van de elektronen wordt opgevoerd tot ~500 MeV (het volgende doel van het team), zal de golflengte van de straling dalen tot 20–30 nm (harde UV / zachte röntgenstraling). En in de toekomst zelfs tot harde röntgenstraling.

Een compacte LPA-FEL zou een röntgenbron van tafel- of kamerformaat kunnen worden die ultrakorte, heldere en coherente pulsen levert. Dit zou de toegang openen voor:

• Universiteiten en kleine laboratoria (voor 'moleculaire films', onderzoek naar de dynamica van chemische reacties, biologie en materiaalkunde).
• De industrie (kwaliteitscontrole van halfgeleiders, nanotechnologie).
• Geneeskunde en veiligheid.

Natuurlijk zijn krachtige lasers nog steeds duur, maar de hele installatie zal vele malen kleiner en goedkoper zijn dan de huidige giganten. LPA's kunnen ook dienen als hoogwaardige injectoren voor bestaande grote XFEL's, waardoor hun prestaties worden verbeterd.

Dit is een zeer belangrijke stap van een 'laboratoriumspeeltje' naar een echte technologie. Het team verzamelt al gegevens om de stabiliteit en helderheid verder te verbeteren. Als de volgende fase (500 MeV en zachte röntgenstraling) even overtuigend slaagt, zou dit een ware revolutie kunnen betekenen voor de toegankelijkheid van krachtige lichtbronnen.