Uno dei fattori che maggiormente limita l’applicazione degli acceleratori al plasma è la dispersione (spread) di energia che il fascio accumula durante l’accelerazione nel modulo al plasma. Recentemente, un esperimento condotto dai ricercatori del gruppo SPARC_LAB ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, ha dimostrato per la prima volta che è possibile risolvere questo problema e accelerare così un fascio di elettroni di alta qualità.
Il risultato, pubblicato recentemente su Nature Physics, è stato ottenuto con una tecnica innovativa che consiste nell’imprimere sul fascio, prima del suo ingresso nel plasma, una correlazione energetica con le particelle di testa a energia maggiore di quelle sulla coda. Lo spread di energia indotto dal plasma viene così pre-compensato, rendendone possibile una quasi totale riduzione all’uscita del modulo. L’importante risultato apre così la strada a futuri sviluppi per gli acceleratori di particelle basati sulla tecnologia al plasma.
L’esperimento è stato realizzato con il foto-iniettore di SPARC_LAB, che ha generato e pre-accelerato due distinti pacchetti di elettroni temporalmente separati: un fascio pilota (driver) che ha la funzione di eccitare il campo accelerante nel plasma, e un fascio test (witness) che viene accelerato da tale campo. Confinando il plasma (prodotto ionizzando idrogeno gassoso attraverso una scarica elettrica ad alta tensione) all’interno di un piccolo tubo di plastica chiamato capillare, i campi acceleranti prodotti dal driver sono stati utilizzati per accelerare il witness. La complessità dell’esperimento è notevole per le dimensioni in gioco: i due fasci misurano, infatti, poche decine di micron e devono essere posizionati nel plasma con precisioni dell’ordine del micron.
Questo progresso nella realizzazione di fasci di elettroni di alta qualità è di fondamentale importanza perché rende il fascio accelerato di fatto “utilizzabile” per applicazioni quali, ad esempio, i laser a elettroni liberi (Free-Electron Lasers, FEL). In questo contesto è tutt’ora in corso a SPARC_LAB un esperimento pilota che mira a iniettare il witness accelerato dal plasma in un opportuno campo magnetico (ondulatore magnetico) per ottenere l’emissione di radiazione FEL.
Il lavoro pubblicato descrive, inoltre, come lo stesso metodo possa essere esteso e applicato a energie e contesti differenti, come la futura infrastruttura di ricerca sperimentale multidisciplinare EUPRAXIA, sostenuta, anche attraverso un contributo finanziario, dal MUR Ministero dell’Università e della Ricerca che ne ha recentemente sottomesso la candidatura a ESFRI, il forum strategico europeo per le infrastrutture di ricerca. Questi risultati rappresentano quindi un importante traguardo anche verso l’utilizzo dell’accelerazione al plasma per applicazioni dedicate agli utenti di altri settori scientifici.
Nell'immagine: Capillare a scarica utilizzato durante l’esperimento montato nella camera di interazione di SPARC_LAB