การเร่งด้วยเลเซอร์เวคฟิลด์และการเร่งด้วยพลาสมาเวคฟิลด์มีศักยภาพในการเพิ่มพลังงานของเครื่องเร่งอนุภาค แต่การใช้เทคนิคนี้เป็นสิ่งที่ท้าทาย ขณะนี้ ทีมงานระหว่างประเทศได้เร่งอิเล็กตรอนโดยใช้ “เครื่องเร่งความเร็วเลเซอร์พลาสมาเวคฟิลด์” ที่รวมข้อดีของเทคนิคทั้งสองเข้าด้วยกัน เครื่องเร่งความเร็วดังกล่าวสามารถเพิ่มจำนวนสิ่งอำนวยความสะดวกทางฟิสิกส์ของอนุภาคพลังงานสูงทั่วโลก
หรือใช้เพื่อ
สร้างเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระที่ใช้โดยสาขาวิชาวิทยาศาสตร์ที่หลากหลาย เครื่องเร่งอนุภาคมีส่วนรับผิดชอบในการค้นพบที่สำคัญที่สุดทางฟิสิกส์ แต่ความต้องการชนอนุภาคด้วยพลังงานที่สูงกว่านั้นกำลังผลักดันเทคโนโลยีที่มีอยู่ให้ถึงขีดจำกัด เครื่องเร่งความเร็วทั่วไปใช้สนามไฟฟ้าความถี่วิทยุ
แต่ความเสี่ยงที่จะทำให้ส่วนประกอบเสียหายจากการปล่อยอาร์ค หรือแม้กระทั่งการหลอมละลายโดยความร้อนสูงเกินไป จะจำกัดจำนวนฟิลด์สูงสุดที่สามารถใช้ได้ ผลที่ตามมาคือเครื่องเร่งอนุภาคมีขนาดใหญ่ ราคาแพง และไม่สามารถเข้าถึงได้สำหรับนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ อันที่จริง มีสิ่งอำนวยความสะดวก
เพียงไม่กี่แห่งทั่วโลก ที่สามารถทำการวิจัยทางฟิสิกส์ของอนุภาคที่ล้ำสมัยได้เครื่องเร่งความเร็ว เป็นทางเลือกใหม่ที่ใช้พัลส์ของพลังงานเพื่อสร้างคลื่นสนามไฟฟ้าในพลาสมาที่อยู่นิ่ง คล้ายกับเรือที่ปล่อยคลื่นขณะแล่นผ่านน้ำ หากกลุ่มของอนุภาคต่อท้ายถูกตั้งเวลาอย่างเหมาะสม มันสามารถโต้คลื่นนี้
และเร่งความเร็วได้สูงชันกว่าที่เป็นไปได้ในคันเร่งแบบเดิม อย่างไรก็ตาม ปัญหาคือการสร้างชีพจรของพลังงานนี้ ปัญหาเกี่ยวกับชีพจรทางเลือกหนึ่งคือการใช้เลเซอร์ แต่เครื่องเร่งความเร็วเลเซอร์เวคฟิลด์มีข้อจำกัดร้ายแรง: “พลังงานสูงสุดที่คุณจะได้รับจากการเร่งความเร็วด้วยเลเซอร์จะถูกจำกัด
โดยสิ่งที่เรียกว่าการคายประจุ” นักฟิสิกส์เครื่องเร่งความเร็วแห่ง อธิบาย ในประเทศเยอรมนี “คลื่นพลาสมานั้นช้าเกินไปเมื่อเทียบกับอิเล็กตรอนที่ถูกเร่ง” ทางเลือกอื่นที่เรียกว่าการเร่งความเร็วของพลาสมาเวคฟิลด์คือการฉีดอนุภาค “ไดรฟ์” พลังงานสูงจำนวนมาก โดยใช้พลาสมาเป็นกลไก
การถ่ายโอน
พลังงานเพื่อเร่งอนุภาคแต่ละอนุภาคในกลุ่มต่อท้ายที่เล็กกว่ามากให้มีพลังงานสูงกว่าอนุภาคใน ไดรฟ์พวง อย่างไรก็ตาม “เครื่องเร่งความเร็วพลาสม่าเวคฟิลด์” เหล่านี้ยังคงต้องการเครื่องเร่งอนุภาคแบบดั้งเดิมเพื่อสร้างกลุ่มไดรฟ์ ในปี 2010 ซึ่งขณะนั้นอยู่ที่มหาวิทยาลัย และปัจจุบันอยู่ที่มหาวิทยาลัย
ได้เสนอให้รวมข้อดีของทั้งสองอย่างเข้าด้วยกันโดยใช้เลเซอร์เพื่อสร้างพลาสมา ซึ่งในทางกลับกันสามารถใช้เพื่อส่งลำแสงของอนุภาคผ่าน พลาสม่าอีกตัว ต่อจากนั้น กลุ่มวิจัยหลายกลุ่มได้ตระหนักถึงการประมาณของอุปกรณ์ดังกล่าว และตอนนี้ และเพื่อนร่วมงานได้สาธิตเครื่องจักร
ที่สามารถเร่งอิเล็กตรอนได้จริงเป็นครั้งแรก เครื่องเร่งความเร็วของนักวิจัยแบ่งออกเป็นสองเครื่อง (ดูรูป) ด้านหนึ่ง เลเซอร์พัลส์กำลังสูงจะผ่านก๊าซ ทำให้เกิดไอออนและส่งคลื่นพลาสมาไปยังแผ่นฟอยล์เหล็ก สิ่งนี้สะท้อนแสงเลเซอร์ แต่แตกตัวเป็นไอออนชั่วขณะ ทำให้ประจุจากพลาสมาผ่านเข้าไป
ในก๊าซพรีไอออนไนซ์ที่อีกด้านหนึ่ง เวคฟิลด์ขนาดใหญ่ถูกสร้างขึ้นในพลาสมา ทำให้นักวิจัยสามารถเร่งอิเล็กตรอนให้เร็วขึ้นเป็น 128 MeV ในเวลาเพียงไม่กี่มิลลิเมตร ไล่ระดับความเร่งที่ 100 GV/m นี่เป็นทางชันอย่างน้อย 1,000 เท่ากว่าที่คันเร่งแบบเดิมทำได้ สิ่งอำนวยความสะดวกของมหาวิทยาลัย
แม้ว่าจะต้องใช้เครื่องเลเซอร์กำลังสูงแบบผู้เชี่ยวชาญเพื่อทำการทดลอง แต่เลเซอร์ดังกล่าวพบได้ทั่วไปมากกว่าเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่: “ตัวอย่างเช่น ในสหราชอาณาจักรมีเครื่องเลเซอร์อยู่ 2-3 เครื่อง แต่ไม่มีเครื่องเร่งความเร็วพลาสม่าที่ขับเคลื่อนด้วย RF เออร์แมนกล่าว; “ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า
ฉันคิดว่า
มันจะกลายเป็นมาตรฐานที่แม้แต่มหาวิทยาลัยก็สามารถซื้อเลเซอร์ขนาด 100 TW ได้” “งานนี้ [งานนี้] ยอดเยี่ยมมากเพราะคนเหล่านี้ได้ทำบางสิ่งที่ภาคสนามคิดมาเป็นเวลาหลายปีได้สำเร็จ ซึ่งก็คือการทำวิจัยเครื่องเร่งอนุภาคพลาสมา-เวคฟิลด์ที่ขับเคลื่อนด้วยลำแสงอิเล็กตรอนในระดับมหาวิทยาลัย
แทนที่จะต้องพึ่งพาสิ่งอำนวยความสะดวกการวิจัยที่มีอยู่น้อยนิดเหล่านี้ ในโลกนี้” นักฟิสิกส์เครื่องเร่งพลาสมา แห่งมหาวิทยาลัยโคโลราโดในโบลเดอร์ กล่าว เขาเชื่อว่าหนึ่งในแอปพลิเคชันแรก ๆ อาจผลิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระจากรังสีเอกซ์ ซึ่งต้องใช้กลุ่มอิเล็กตรอนพลังงานสูง
“ตอนนี้ ที่เดียวที่คุณจะได้รับเลเซอร์พัลส์เอ็กซ์เรย์ความสว่างสูงเหล่านี้คือจากสิ่งอำนวยความสะดวก เช่น ที่ SLAC ซึ่งมีแหล่งกำเนิดแสงแบบเชื่อมโยงกัน พวกมันมีประโยชน์มากมายหลายพันครั้งและเป็นที่ต้องการอย่างมาก ก่อนที่เราจะไปถึง ฉันเคยกล่าวไว้ว่าหนึ่งในความฝันของเทคโนโลยี
เมื่อทั้งหมดนี้สำเร็จในปี 1999 ความสนุกก็เริ่มขึ้นจริงๆ เพราะเครื่องตรวจจับไม่เพียงแค่พูดว่า “เฮ้ มีนิวตริโนอยู่ เพิ่มหนึ่งรายการในรายการกระแสไฟฟ้าที่มีประจุ!” ปัญหาคือคุณไม่สามารถวัดการตอบสนองของเครื่องตรวจจับได้โดยตรงเพื่อเลือกเหตุการณ์สุริยะ-นิวตริโนจากดวงอาทิตย์จำนวนไม่กี่เหตุการณ์
ต่อวินาทีที่มาจากกระบวนการพื้นหลัง เราต้องลำบากในการทำความเข้าใจพฤติกรรมของเครื่องตรวจจับตั้งแต่หลักการแรกโดยใช้แหล่งกำเนิดแสงและกัมมันตภาพรังสี และการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ เมื่อความพยายามนี้เสร็จสิ้น การติดตั้งสัญญาณนิวตริโนก็ค่อนข้างตรงไปตรงมา
ผลลัพธ์ที่ประกาศในปี 2544 และ 2545 ยืนยันการทำนายการสั่นของนิวตริโนได้อย่างสวยงาม จำนวนของเหตุการณ์ที่เป็นกลางในปัจจุบันตรงกับการคาดการณ์ของแบบจำลองสุริยะค่อนข้างแม่นยำ ซึ่งแสดงให้เห็นว่ากระแสนิวตริโนทั้งหมดนั้นเกิดขึ้นจริง อย่างไรก็ตาม อัตราการเกิดปฏิกิริยาของกระแสประจุไฟฟ้าแสดงให้เห็นว่ามีเพียงหนึ่งในสามของนิวตริโนเหล่านี้เท่านั้น
