Zeus va deschide noi frontiere în imagini, terapie cancer și astrofizică
Imaginea de ansamblu: Cu primul său experiment de 2 Petawatt finalizat cu succes, Zeus este pregătit să împingă limitele științei de câmp înalt, oferind cercetătorilor un nou instrument puternic pentru descoperire și inovație. Echipa continuă să modernizeze sistemul spre capacitatea sa întreagă, chiar dacă experimentele utilizatorilor sunt deja în curs.
Facilitatea laser Zeus de la Universitatea din Michigan a boltit Statele Unite în fruntea științei laserului de mare intensitate. În primul său experiment oficial, Zeus a obținut o putere maximă de 2 Petawatts – de două ori mai mult decât producția oricărui alt laser din țară. Deși această explozie, de peste 100 de ori producția totală de energie electrică din lume, durează doar 25 de quintile de secundă, reprezintă o etapă majoră în capacitățile de cercetare americană.
„Această etapă marchează începutul experimentelor care se deplasează pe un teritoriu neexplorat pentru știința de câmp înaltă americani”, a declarat Karl Krushelnick, directorul Centrului Gérard Mourou pentru Științe Optice UltraPast, care îl adăpostește pe Zeus. Universitatea descrie instalația, construită pentru 16 milioane de dolari, ca „negociere”, având în vedere amploarea și potențialul acesteia.
Susținut de Fundația Națională a Științei SUA, Zeus operează ca o instalație de utilizator, primind echipe de cercetare din întreaga țară și din întreaga lume. Propunerile pentru experimente sunt selectate printr -un proces de revizuire independent, asigurându -se că capacitățile laserului sunt utilizate pentru cele mai promițătoare anchete științifice. Cercetările efectuate la Zeus vor avansa domenii precum medicina, securitatea națională, știința materialelor, astrofizica, știința plasmatică și fizica cuantică.
Sistemul Zeus este construit în principal din componente comerciale și încorporează tehnologii avansate, incluzând un amplificator de impulsuri dublu ciupit și filtre acusto-optice programabile care păstrează lățimea de bandă precisă și faza necesară pentru impulsuri ultrashort, cu putere mare. Laserul poate livra impulsuri comprimate la fel de scurt ca 20 de femtosecunde, permițând o gamă largă de experimente de ultimă oră.
În interiorul unui spațiu aproximativ de dimensiunea unei gimnastice școlare, Zeus găzduiește trei zone țintă distincte, fiecare adaptate aplicațiilor de cercetare specifice. Zona 2 țintă este proiectată pentru experimente care implică ținte solide și accelerație ionică, în timp ce zona țintă 3 este optimizată pentru accelerația laser Wakefield și poate măsura energiile de electroni până la aproximativ 5 GEV.
Capacitatea instalației de a-și împărți fasciculul îi permite să obțină intensități de până la un milion de ori mai mari decât un singur fascicul singur, permițând studiul fenomenelor extreme, cum ar fi structurile de vid cuantice și crearea de perechi de antimateri din materie din spațiul gol.
„Unul dintre lucrurile grozave despre Zeus este că nu este doar un mare ciocan laser, dar puteți împărți lumina în mai multe fascicule”, a spus Franklin Dollar, profesor la Universitatea din California, Irvine, al cărui grup conduce primul experiment de utilizator la 2 Petawatts.
Echipa lui Dollar, în colaborare cu oamenii de știință Zeus, lucrează pentru a genera fascicule de electroni cu energii comparabile cu cele produse de acceleratoare de particule de sute de metri lungime. Scopul lor este de a ajunge la energii electronice de cinci până la 10 ori mai mari decât orice obținut anterior la Zeus.
„Ne propunem să ajungem la energii de electroni mai mari folosind două fascicule laser separate – una pentru a forma un canal de ghidare și celălalt pentru a accelera electronii prin acesta”, a explicat Anatoly Maksimchuk, un om de știință de cercetare al Universității din Michigan, care a condus la dezvoltarea zonelor experimentale.
Pentru a realiza acest lucru, cercetătorii au reproiectat ținta prin prelungirea celulei care deține gazul de heliu. Când pulsul laser lovește acest gaz, creează plasmă prin dezbrăcarea electronilor de atomi, transformând gazul într -un amestec de electroni liberi și ioni încărcați pozitiv. Electronii sunt apoi accelerați în urma pulsului laser, proces cunoscut sub numele de accelerație Wakefield. Deoarece lumina călătorește mai lent prin plasmă, electronii se pot prinde și pot călări pulsul, obținând mai multă energie pe o distanță mai lungă în ținta mai puțin densă și extinsă.
Această demonstrație a puterii lui Zeus servește ca precursor al experimentului de semnătură al instalației, așteptat la sfârșitul acestui an, în care electronii accelerați se vor ciocni cu impulsuri laser care călătoresc în direcția opusă. În cadrul de referință al electronilor, pulsul laser cu 3 petawatt va apărea de un milion de ori mai puternic-un puls la scară Zettawatt-oferindu-i lui Zeus numele complet: „Zettawatt echivalent cu un sistem de impulsuri ultrashort laser”.
Beneficiile potențiale ale lui Zeus se extind cu mult dincolo de fizică, impactând progresele în domeniul sănătății, tehnologiei și dezvoltării economice, a declarat Vyacheslav Lukin, director de program în divizia de fizică NSF. „Cercetarea fundamentală făcută la instalația NSF ZEUS are multe aplicații posibile, inclusiv metode de imagistică mai bune pentru țesuturile moi și avansarea tehnologiei utilizate pentru tratarea cancerului și a altor boli”, a spus el.
Experimentele lui Zeus pot ajuta, de asemenea, la explicarea fenomenelor astrofizice, cum ar fi jeturile de pozitron din găuri negre și explozii cu raze gamma, creând științe de laborator cu unele dintre cele mai misterioase evenimente ale universului.
Călătoria către realizarea a 2 Petawatts nu a fost fără obstacole. Cristalul de safir dopat cu diametrul de aproape 7 inci necesară pentru amplificatorul final a durat câțiva ani pentru a procura. „Cristalul pe care îl vom primi vara ne va duce la 3 Petawatts și a fost nevoie de patru ani și jumătate pentru fabricare”, a spus Franko Bayer, Zeus Project Manager. „Mărimea cristalului de safir de titan pe care îl avem, există doar câteva în lume”.
De asemenea, au apărut provocări tehnice în timpul tranziției de la laserul Hercules 300-Terawatt Hercules la sistemul 1-Petawatt al lui Zeus. Întunecarea neașteptată a grătarelor de difracție a fost urmărită de depozitele de carbon formate atunci când fasciculul puternic a interacționat cu moleculele reziduale din camera de vid. Echipa a stabilit limite de operare sigure pentru a preveni daune suplimentare.
De la deschiderea în octombrie 2023, Zeus a găzduit 11 experimente care au implicat 58 de cercetători din 22 de instituții, inclusiv participanți internaționali. Modelul de utilizator al instalației este similar cu cel al altor centre de cercetare majore, cum ar fi LCLS-II al Laboratorului National SLAC National Laboratory și atrage deja colaborări globale.
Credit de imagine: Marcin Szczepanski
