A plazmahullám alapú részecskegyorsítás (plasma wakefield particle acceleration) lehetősége már évtizedekkel ezelőtt felmerült, mint a “hagyományos” részecskegyorsító technológia alternatívája. Az elv nagyon szemléletesen megfogalmazható: egy nagy intenzitású lézerimpulzus vagy nagyenergiájú részecskecsomag hullámot kelt a plazmában (angolul “wake” azaz nyom), és ezen a hullámon “lovagolva” nyernek energiát a részecskék amelyeket gyorsítani szeretnénk, hasonlóan a hullámlovasokhoz. A mellékelt kis rajz ezt a folyamatot szemlélteti, egy motorcsónak kelti a hullámot, ezen a hullámon ügyeskedik a hullámlovas.
Az ezen elven működő részecskegyorsítók elvileg akár ezerszer hatékonyabbak lehetnek, mint a hagyományos technológiával működők, nagyon kompakt, kisméretű berendezések építése válik lehetővé. Természetesen az elvet gyakorlatba átültetni nem könnyű, számos kutatócsoport foglalkozik plazmahullám alapú részecskegyorsítók építésével. Az egyik ilyen a CERN-ben tevékenykedő AWAKE Kollaboráció, amelynek a Wigner FK is tagja és amely nagyenergiájú protonnyaláb segítségével kelt hullámot egy hosszú, rubídiumgőzben létrehozott plazmacsatornában. A cél, hogy elektroncsomagokat gyorsítsunk ebben a hullámban. Ehhez egy jól meghatározott sűrűségű, adott minimális átmérőjű plazmacsatorna létrehozása szükséges. Ez lesz a “gyorsító közeg” aminek a protonnyaláb átadja az energiáját, hogy az elektronok onnan energiát nyerjenek. Az alábbi ábrán a berendezés vázlata látható, a központi szerepet játszó plazmaforrással.
A plazmacsatorna létrehozása maga is meglehetősen bonyolult folyamat. Nagy intenzitású lézerimpulzus halad végig a rubídiumgőzt tartalmazó, hosszú, cső alakú kamrán és (ideális esetben) minden rubídiumatomról pontosan egy elektront leszakít. Azonban a gőz bonyolult kölcsönhatásba kerül a benne haladó lézerimpulzussal, deformálja, fókuszálja, elnyeli az energia egy részét. Jelen esetben külön érdekesség és komplikáció, hogy a lézer hullámhossza megegyezik a rubídiumatomok egyik rezonanciájával, azaz egy olyan hullámhosszal amely a rubídiumatom elektronját az alapállapotból egy gerjesztett kvantumállapotba képes átvinni. A Wigner FK kutatócsoportja az AWAKE együttműködésben a rubídium ionizációját, a nagy intenzitású, rezonáns lézerimpulzus és a gőz kölcsönhatását, a lézerimpulzus terjedését tanulmányozza. A kísérleti munka mellett nagyon jelentős szerepet kap egy olyan elméleti modell kidolgozása, melynek egyenleteit megoldva ki tudjuk számolni, hogy egy adott konfigurációban milyen alakú, kiterjedésű plazmacsatorna jön létre. Ez több ok miatt lényeges. Egyrészt az AWAKE berendezésen nem tudjuk megfigyelni, hogy milyen a gőzben létrejövő plazma mert a precíz hőmérsékletszabályozás miatt a cső oldalról teljesen zárt, csak a két végén nyitott. Ugyanakkor a cső belsejében létrejövő plazmacsatorna tulajdonságait a berendezés működését leíró plazmadinamikai számítások, számítógépes kódok “bemeneti paraméterként” igénylik. Ahhoz hogy a részecskegyorsítási kísérletek eredményeit értelmezzük, a plazmacsatorna méreteiről is rendelkeznünk kell ismeretekkel. Másrészt a kísérleti berendezés továbbfejlesztése, továbbgondolása folyamatos, így tanulmányozni szükséges, hogy ezzel az eljárással milyen sűrűségű, milyen hosszúságú plazmacsatorna hozható létre egy továbbfejlesztett, nagyobb berendezés építése során.
A rubídiumatomok gőzének és a lézerimpulzusnak kölcsönhatását leíró bonyolult differenciálegyenletrendszer megoldása csak számítógépek segítségével lehetséges, az Awakelaser projekt keretei között ilyen számításokat végzünk az ELKH Cloud számítógépes infrastruktúráján. A számítások fő eredményei azon adatok, amelyek megmutatják, hogy adott lézerparaméterek mellett milyen a gőzben az atomok ionizációjának valószínűsége, illetve hogy milyen a plazmaforrás végén kilépő lézerimpulzus. Ez utóbbit össze tudjuk hasonlítani mérésekkel, és ha az egyezés a mérés illetve a számolt értékek között kielégítő, “elhihetjük”, hogy a plazmaforrás belsejében a plazmacsatorna alakja szintén a számítógépes kód által kiszámolthoz hasonló. Ha az eltérés nagy, tudjuk, hogy javítani kell a lézerterjedést, illetve az atomok ionizációját leíró modellen. Alább olyan eredmények ábrázolása látható, amelyek megmutatják, hogy mennyire más lesz a plazmacsatorna alakja amennyiben a lézer hullámhossza rezonáns az atomok egy átmenetével (a vízszintes tengelyen a cső menti távolság szerepel méterben, a függőleges tengelyen a cső tengelyétől mért radiális távolság mm-ben). Az ionizációs valószínűségek eloszlásából látszik, hogy rezonáns esetben a plazmacsatorna határa sokkal élesebb, hullámzó és sokkal kisebb impulzusenergiával lehet körülbelül ugyanolyan hosszúságú plazmacsatornát létrehozni.
Ezek a számítások igen munkaigényesek, egy viszonylag “egyszerűbb” atomi modellt alkalmazva is jó egy napig tart, amíg egy szokásos, 8 virtuális processzorral rendelkező gép a paraméterértékek egyetlen kombinációjára kiszámolja az eredményt. Kicsit bonyolultabb modellt alkalmazva egy hétre is felmehet az egyetlen számításhoz szükséges idő, így nem csoda, ha a paramétertérben végzett részletes tanulmányok hosszú hónapokat is igénybe vehetnek, és komoly erőforrásokat igényelnek. Ugyanakkor egy, a világ minden tájáról, 27 különböző intézményből összállt kutatógárda erőfeszítéseit segítik az eredmények és így hozzájárulnak ahhoz, hogy hosszú távon a plazmahullám alapú gyorsítótechnológia elterjedhessen a tudományos kutatásban és a gyakorlati alkalmazásokban egyaránt.
Dátum: 2021. április 6.