Để tìm hiểu bản chất của vũ trụ, các nhà khoa học phải chế tạo các máy va chạm hạt làm gia tốc electron và hạt phản vật chất của chúng (positron) đến những năng lượng cực cao (lên tới tera electron volt, hay TeV). Tuy nhiên, với công nghệ thông thường, điều này đòi hỏi một cỗ máy vô cùng đồ sộ và tốn kém (hãy nghĩ tới 32 km chiều dài). Để thu nhỏ kích cỡ và chi phí của những cỗ máy này, gia tốc của các hạt – năng lượng mà chúng thu được trên một khoảng cách cho trước – phải tăng lên.
Đây là nơi vật lí plasma có thể có tác động lớn: một sóng gồm các hạt tích điện – sóng plasma – có thể đem lại gia tốc này thông qua điện trường của nó. Trong một máy gia tốc plasma laser, người ta dùng các xung laser cường độ mạnh để tạo ra một sóng plasma với điện trường có thể mạnh gấp hàng nghìn lần điện trường thu được trong các máy gia tốc thông thường.
Mới đây, đội nghiên cứu tại Trung tâm BELLA thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Berkeley vừa tăng gấp đôi kỉ lục thế giới trước đây cho năng lượng được tạo ra bởi máy gia tốc plasma laser, phát ra các chùm electron với năng lượng lên tới 7,8 tỉ electron volt (GeV) trong một plasma dài 8 inch (20 cm). Kết quả này sẽ đòi hỏi khoảng 300 foot (91 m) chiều dài nếu sử dụng công nghệ thông thường.
Đặc trưng mật độ electron của kênh plasma (màu lam) hình thành bên trong ống sapphire (màu xám) với sự kết hợp của sự phóng điện và một xung laser kéo dài 8 phần tỉ giây (màu đỏ, cam, và vàng). Kênh plasma này được dùng để dẫn hướng một laser “điều khiển” kéo dài 40 phần triệu tỉ giây, làm phát ra sóng plasma và gia tốc các electron đến gần 8 tỉ electron volt trên đoạn đường chỉ 8 inch. Ảnh: Berkeley Lab
Các nhà nghiên cứu thu được thành tựu này bằng cách sử dụng một loại dẫn sóng plasma mới để chống lại sự phân tán tự nhiên của xung laser. Ở bộ dẫn sóng này, sự phóng điện được kích hoạt trong một ống sapphire chứa đầy chất khí tạo thành plasma, và xung laser “nung” khoan thủng một phần plasma ở giữa, làm nó bớt đặc nên nó làm hội tụ ánh sáng laser. Kênh dẫn plasma đủ mạnh để giữ cho các xung laser hội tụ bị giam cầm tốt trên độ dài 8 inch của máy gia tốc.
“Chùm tia nung cho phép chúng tôi kiểm soát sự truyền xung laser điều khiển,” theo lời tiến sĩ Anthony Gonsalves. “Các thí nghiệm tiếp theo sẽ hướng tới thu được sự kiểm soát chính xác đối với dòng electron đưa vào sóng plasma nhằm đạt tới chất lượng chùm hạt chưa có tiền lệ, và để kết hợp nhiều giai đoạn với nhau nhằm lát đường cho năng lượng cao hơn nữa.”
Để đạt tới thế hệ tiếp theo của các máy va chạm electron-positron lên tới năng lượng TeV sẽ đòi hỏi liên kết một chuỗi máy gia tốc plasma laser, mỗi tầng gia tốc sẽ đem lại cho hạt một cú hích năng lượng nhất định. Thành tựu mới của Berkeley Lab gây hứng thú bởi lẽ 7,8 GeV là năng lượng cần thiết cho những tầng gia tốc này hoạt động hiệu quả.
Nguồn: PhysOrg.com
