Vista dall’alto dello SLAC National Accelerator Laboratory
Uno studio condotto da ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory, gestito dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, e dell’Università della California ha dimostrato l’esistenza di un modo nuovo ed efficace per accelerare positroni, la particella di antimateria corrispondente agli elettroni. Il metodo può contribuire ad aumentare l’energia prodotta dai futuri acceleratori, riducendone le dimensioni. Questi nuovi e potenti acceleratori potrebbero essere utilizzati per svelare le proprietà dei costituenti fondamentali della materia.
Gli scienziati del team avevano già dimostrato che facendo “scivolare” degli elettroni su del gas ionizzato, o plasma, era possibile aumentarne in modo molto efficiente l’energia. Anche se questo metodo di per sé potrebbe portare alla costruzione di acceleratori più piccoli, gli elettroni sono solo metà dell’equazione. Ora i ricercatori sono riusciti ad applicare la stessa tecnica ai positroni utilizzando il Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET) presso lo SLAC.
I futuri acceleratori di particelle richiederanno metodi di accelerazione altamente efficienti sia per elettroni e positroni. L’accelerazione di entrambi i tipi di particelle con l’uso di plasma, come mostrato in questa simulazione, potrebbe portare ad acceleratori più piccoli e più potenti rispetto a quelli a nostra disposizione. Crediti: F. Tsung/W. An/UCLA/SLAC National Accelerator Laboratory
«Insieme al risultato precedente, il nuovo studio è un passo molto importante verso la realizzazione di acceleratori di nuova generazione, più piccoli e meno costosi», ha detto Mark Hogan dello SLAC, co-autore dello studio pubblicato oggi su Nature. «FACET è l’unico posto al mondo dove possiamo accelerare positroni ed elettroni utilizzando questo metodo».
I ricercatori studiano da tempo le componenti fondamentali della materia e le forze che si esercitano tra di loro facendo collidere fasci di particelle altamente energetiche uno contro l’altro. Le collisioni tra elettroni e positroni sono particolarmente interessanti, perché a differenza di quelle tra i protoni, che vengono studiate ad esempio al Large Hadron Collider del CERN, queste particelle non sono composte da parti costituenti più piccole. Molti scienziati, però, ritenevano che fosse impossibile applicare la tecnica dello “scivolamento” sul plasma per accelerare i positroni.
«Il punto di svolta è stato la scoperta di un nuovo regime che ci ha permesso di accelerare i positroni nei plasmi con efficienza», ha detto il co-autore dello studio Chandrashekhar Joshi, ricercatore presso l’Università della California. Invece di utilizzare due pacchetti distinti di particelle, uno per creare una scia e l’altro per scivolarci sopra, il team ha scoperto che facendo interagire un singolo gruppo di positroni con il plasma la parte anteriore genera una scia in grado di accelerare l’estremità posteriore.
«In questo stato stabile, circa 1 miliardo di positroni hanno raggiunto energie pari a 5 miliardi di elettronvolt entro una distanza di soli 1.3 metri», ha spiegato Sébastien Corde, primo autore dello studio, ex-ricercatore presso lo SLAC, oggi all’Ecole Polytechnique in Francia.
Simulazione dell’accelerazione di positroni ad alta energia in un gas ionizzato, o plasma. L’immagine mostra la formazione di plasma ad alta densità (di colore verde e arancione) attorno ad un fascio di positroni che si muove da in basso a destra in alto a sinistra del riquadro. Crediti: W. An/UCLA
Nelle prossime fasi di questo studio, il team cercherà di migliorare ulteriormente il proprio esperimento. «Abbiamo eseguito simulazioni per comprendere meglio come si sia creato lo stato stabile», ha dichiarato Warren Mori dell’Università della California, co-autore della ricerca. «Sulla base di questa nuova conoscenza, potremo sviluppare simulazioni per utilizzare questa tecnica in modo migliore e più controllato».
Sebbene non sarà possibile costruire acceleratori di particelle con l’utilizzo di plasma in un futuro imminente, questa tecnica potrebbe essere utilizzata per migliorare gli acceleratori già esistenti.
«È possibile immaginare di aumentare le prestazioni degli acceleratori lineari con l’aggiunta di un brevissimo acceleratore di plasma nella parte finale», ha detto Corde. «Questo permetterebbe di amplificare l’energia dell’acceleratore senza dover aumentare in modo significativo la lunghezza della struttura».