Accelerazione al plasma: differenze tra le versioni

L'idea alla base delle tecniche accelerazione al plasma di elettroni, proposta inizialmente da Toshiki Tajima and John M. Dawson nel 1979<ref name="M. Dawson 1979">T. Tajima and J. M. Dawson. 1979. Laser Electron Accelerator. Phys. Rev. Lett. 43: 267–270 {{doi|10.1103/PhysRevLett.43.267}}</ref> è quella di creare una perturbazione (detta driver) nella neutralità di carica di un plasma mediante impulsi laser ultra-corti (schemi di accelerazione al plasma laser-driven) o fasci di particelle cariche relativistiche (schemi di accelerazione al plasma beam-driven); nella scia di questa perturbazione si creano delle onde di plasma, i cui campi elettrici possono poi essere utilizzati per accelerare pacchetti di particelle cariche (detti witness) opportunamente iniettati nell'onda creata. Un'analogia frequente è quella di un surfista che cerca di accelerare cavalcando le onde di scia di una barca nel mare.

Una stima dei campi elettrici massimi sostenibili dalle onde di plasma, e quindi dei massimi gradienti raggiungibili da queste tecniche di accelerazione, è data dal limite non relativistico di rottura dell'onda (wave-breaking) in approssimazione di plasma freddo. Esso viene calcolato ipotizzando una dispersione termica trascurabile nelle velocità delle particelle che compongono il plasma rispetto alle velocità caratteristiche delle oscillazioni coerenti degli elettroni che lo compongono, da cui il nome approssimazione di plasma freddo. In tale approssimazione il massimo campo elettrico sostenibile dall'onda in regime lineare prima che essa si infranga è stimabile pari a<ref name="J. Noble 1983">R. J. Noble. 1983. Plasma Beat-Wave Accelerator. SLAC-PUB-3149 </ref><ref name="A. Macchi 2013">A. Macchi. 2013. A Superintense Laser–Plasma Interaction Theory Primer. Springer </ref>:

dove <math>c</math> è la [[velocità della luce]] nel vuoto, <math>m_e</math> è la massa dell'elettrone, <math>\omega_p</math> è la frequenza di plasma, che scala come la radice della densità iniziale del plasma. Con una densità iniziale di <math>n_0=10^{18}cm^{-3}</math> si otterrebbero dei massimi gradienti pari a circa <math>100 GV/m </math>, di almeno due ordini di grandezza maggiori di quelli ottenibili con le tecnologie di accelerazione convenzionale, limitate dal limite di breakdown delle cavità metalliche. Tale stima è abbastanza pessimistica nei regimi di interesse per l'accelerazione al plasma. Tenendo conto delle nonlinearità nei regimi relativistici delle oscillazioni di plasma in queste tecniche di accelerazione, mantenendo l'approssimazione di plasma freddo, si ottiene un il limite di rottura dell'onda relativistico<ref>R. name="J. Noble. 1983. Plasma Beat-Wave Accelerator. SLAC-PUB-3149 <"/ref><ref> name="A. Macchi. 2013. A Superintense Laser–Plasma Interaction Theory Primer. Springer <"/ref>:

dove <math>\gamma_g</math> è il [[fattore di Lorentz]] associato alla velocità di gruppo delle onde di plasma, pari alla velocità dell'impulso laser o fascio di particelle driver. L'accelerazione al plasma mira a sostituirsi alle tecniche di accelerazione convenzionale, realizzando acceleratori più compatti grazie a gradienti acceleranti così alti. Sebbene essi siano stati dimostrati sperimentalmente, per esempio nel famoso esperimento di [[SLAC]] condotto da I. Blumenfeld et al<ref name="I. Blumenfeld 2007">I. Blumenfeld et al. 2007. Energy doubling of 42 GeV electrons in a metre-scale. SLAC-PUB-12363 </ref>, la qualità dei fasci di particelle accelerati mediante plasmi (in termini di emittanza|emittanza, brillanza, dispersione in energia ed efficienza) non è ancora paragonabile a quella raggiunta nei collisori o nelle sorgenti di radiazione che impiegano tecniche di accelerazione convenzionale, sebbene i progressi in tale direzione siano incoraggianti<ref>V. Malka et al. 2007. GeV monoenergetic electron beam with laser plasma accelerator. Int. J. Mod. Phys. B 21, 277 .DOI: 10.1142/S0217979207042057 </ref><ref>M. Litos et al. 2014. High-efficiency acceleration of an electron beamin a plasma wakefield accelerator. Nature 515,92–95 doi:10.1038/nature13882 </ref>.

Nell'articolo in cui venne proposta l'idea dell'accelerazione al plasma T.Tajima e J. M. Dawson<ref>T. Tajima and J. name="M. Dawson. 1979. Laser Electron Accelerator. Phys. Rev. Lett. 43: 267–270 {{doi|10.1103"/PhysRevLett.43.267}}</ref> discussero i due principali schemi di accelerazione al plasma che impiegano impulsi laser intensi <math>(\gtrsim 10^{17} W/cm^2 )</math>per eccitare le onde di plasma. Oggi i due schemi vengono chiamati<ref name="E. Esarey, C. B 2009">E. Esarey, C. B. Schroeder, W. P. Leemans. 2009. Physics of laser-driven plasma-based electron accelerators. Rev. Mod. Phys. 81, 1229</ref>

Il vantaggio principale degli schemi laser-driven è la loro compattezza in quanto (a differenza degli schemi beam-driven) non richiedono una linea di accelerazione convenzionale per produrre le particelle da accelerare, purché esse vengano prelevate direttamente dal plasma mediante meccanismi di autoiniezione (self-injection) i di iniezione controllata (triggered-injection)<ref> name="E. Esarey, C. B. Schroeder, W. P. Leemans. 2009. Physics of laser-driven plasma-based electron accelerators. Rev. Mod. Phys. 81, 1229<"/ref>.

*''Plasma Wake Field Acceleration'' '''(PWFA)''': le onde di plasma vengono eccitate da un pacchetto di particelle cariche relativistiche iniettato nel plasma, dopo il quale un pacchetto di particelle witness può essere iniettato opportunamente per essere accelerato. L'idea proposta inizialmente per la PWFA per accelerare pacchetti di elettroni con onde eccitate da pacchetti di elettroni originò diverse varianti, chiamate sempre PWFA, come il suo uso per accelerare positroni, o l'eccitazione delle onde di plasma mediante pacchetti di positroni. Vengono inclusi nella PWFA anche esperimenti in cui un lungo driver viene iniettato nel plasma, e una parte delle sue particelle, che si trovano nella fase accelerante del campo, vengono accelerate<ref> name="I. Blumenfeld et al. 2007. Energy doubling of 42 GeV electrons in a metre-scale. SLAC-PUB-12363 <"/ref>. In tale variante il pacchetto di particelle iniettato funge sia da driver che da witness. L'uso di pacchetti distinti per driver e witness conduce a qualità maggiore nel fascio di particelle accelerate. Un'altra variante proposta consiste nell'eccitare le onde di plasma in maniera risonante mediante un fascio di elettroni a pettine, costituito da pacchetti di elettroni opportunamente distanziati<ref>M. Ferrario et al. 2013. SPARC_LAB present and future. Nucl. Inst. and Meth. B 309, 183-188</ref>.