A SPARC_LAB la prima luce FEL con elettroni accelerati da plasma

Acceleratori ultracompatti e a basso costo al servizio della fisica di base e per applicazioni utili anche in altri settori: questa è sicuramente una delle grandi sfide degli acceleratori del futuro. Una soluzione attraente per riuscire a costruirli potrebbe essere quella di sfruttare le onde generate in un plasma per accelerare le particelle. Tuttavia, nonostante gli altissimi gradienti acceleranti prodotti in un plasma, il loro utilizzo è stato finora limitato a causa della bassa qualità del fascio prodotto. Ora, un esperimento condotto dai ricercatori del gruppo SPARC_LAB ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN è riuscito a dimostrare per la prima volta che è possibile utilizzare un fascio di alta qualità accelerato da un’onda di plasma per generare radiazione coerente in un Free Electron Laser nello spettro dell’infrarosso. Lo studio è pubblicato su “Nature”.

“La tecnica di accelerazione al plasma consentirà di realizzare acceleratori in spazi molto ridotti, contenendo i costi di costruzione delle infrastrutture ospitanti, e rendendo così questa tecnologia più accessibile e disponibile anche per applicazioni mediche in ospedali opportunamente attrezzati, e tanto più nel caso di infrastrutture sotterranee come quelle necessarie per gli acceleratori ad alta energia per la fisica delle particelle”, sottolinea Riccardo Pompili, Principal Investigator dell’esperimento condotto a SPARC_LAB. 

A SPARC_LAB è in operazione da diversi anni una linea sperimentale con un FEL composto da sei ondulatori planari. Ogni ondulatore è composto da magneti con polarità opposte che fanno percorrere al fascio di elettroni una traiettoria sinusoidale. La luce generata in ogni periodo di oscillazione si somma coerentemente a quella generata nel periodo precedente, aumentandone esponenzialmente l’intensità.

Il risultato appena pubblicato è stato ottenuto iniettando due pacchetti di elettroni nel plasma contenuto in un tubo di plastica di 3 cm di lunghezza chiamato capillare. Per prima cosa è necessario creare il plasma, ionizzando idrogeno gassoso attraverso una scarica elettrica ad alta tensione. In questo punto vengono iniettati i due pacchetti di elettroni. Il primo pacchetto ha la funzione di eccitare le onde acceleranti nel plasma, che sono poi sfruttate dal secondo pacchetto che viene accelerato. L’alta qualità del witness in ingresso al plasma è mantenuta durante il processo di accelerazione e, in aggiunta alla sua alta corrente, è in grado di pilotare il FEL generando impulsi di luce coerente. L’esperimento condotto a SPARC_LAB ha permesso di ottenere impulsi di luce con energie dell’ordine di 30 nJ.

“Questo risultato non solo ha una grande rilevanza scientifica di per sé ma rappresenta anche un passo avanti fondamentale per la realizzazione del nuovo progetto EuPRAXIA, che ambisce proprio a realizzare la prima infrastruttura di ricerca rivolta agli utenti, basata sull’accelerazione a plasma” spiega Massimo Ferrario, responsabile del progetto EuPRAXIA@SPARC_LAB, sostenuto anche attraverso un contributo finanziario del MUR Ministero dell’Università e della Ricerca, e recentemente entrato nella roadmap di ESFRI, il forum strategico europeo per le infrastrutture di ricerca.