Ketika berbicara mengenai membuat penemuan terobosan dalam fisika partikel, ilmuwan mengandalkan akselerator partikel besar untuk melakukan eksperimen canggih. Mesin kuat ini menggunakan trek panjang dan magnet untuk mendorong partikel ke kecepatan tinggi.
Namun, akselerator seperti itu besar dan cukup mahal. Untuk mengatasi keterbatasan ini, ilmuwan telah bekerja pada akselerasi plasma laser, teknologi yang menarik yang dapat menghasilkan pengembangan akselerator yang lebih kecil, lebih murah, dan lebih mudah diakses.
Akselerator plasma laser hanya berukuran beberapa sentimeter, namun dapat mempercepat partikel ke kecepatan dan energi sangat tinggi yang diperlukan untuk eksperimen ilmiah. Secara teori, ia menggunakan pulsa laser intens dan gelombang plasma daripada magnet konvensional.
Sekarang, tim peneliti dari fasilitas penelitian Jerman Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) telah membuat kemajuan signifikan dalam merealisasikan teknologi akselerasi plasma laser. Dalam studi terbaru mereka, ilmuwan mengusulkan metode baru untuk meningkatkan kualitas bundel elektron yang dihasilkan oleh akselerator plasma laser.
Pendekatan koreksi dua tahap
Saat ini, ada dua tantangan utama dengan teknologi akselerasi plasma laser: keseragaman bundel dan distribusi energi.
Masalah ini muncul karena tidak semua bundel elektron (kelompok elektron) yang dipercepat oleh gelombang plasma berperilaku dengan cara yang sama. Beberapa mendapatkan energi lebih banyak dari yang lain, menyebabkan bundel yang tidak merata dan kurang dapat diprediksi.
Para penulis studi telah menemukan cara untuk memperbaiki masalah ini menggunakan metode koreksi dua tahap. Pertama, mereka mengirim bundel elektron yang tidak merata dari akselerator LUX (Laser and X-ray free electron laser) melalui susunan khusus dari empat magnet yang disebut chicane.
Chicane ini memaksa elektron untuk mengambil jalan memutar, yang meregangkan bundel dalam waktu dan juga memisahkan mereka berdasarkan energi. Akibatnya, elektron cepat berenergi tinggi berada di depan bundel yang diregangkan, dan yang lambat berenergi rendah berada di belakang.
Selanjutnya, bundel elektron yang diregangkan dan diurutkan ini masuk ke dalam perangkat (resonator) yang mirip dengan yang digunakan dalam akselerator partikel reguler. Perangkat ini menggunakan gelombang radio untuk memperlambat atau mempercepat elektron.
“Jika Anda mengatur kedatangan bundel dengan hati-hati ke frekuensi radio, elektron berenergi rendah di belakang bundel dapat dipercepat, dan elektron berenergi tinggi di depan dapat diperlambat. Hal ini menyusutkan distribusi energi,” kata Paul Winkler, penulis utama studi.
Proses ini memastikan bahwa energi dari semua elektron dalam bundel lebih atau kurang sama. Dengan pendekatan ini, tim DESY berhasil membuat perbedaan energi dalam satu bundel menjadi 18 kali lebih kecil dan energi keseluruhan bundel menjadi 72 kali lebih konsisten. Hasil ini membuat bundel elektron yang dipercepat oleh plasma laser hampir sama baiknya dengan yang dihasilkan oleh akselerator raksasa tradisional.
Dari teori ke kenyataan
Para peneliti di DESY merasa optimis setelah eksperimen sukses mereka yang mengubah ide teoritis menjadi kenyataan untuk pertama kalinya. Metode koreksi dua tahap ini belum pernah ditunjukkan secara eksperimental hingga sekarang.
“Apa yang telah kita capai adalah langkah besar bagi akselerator plasma. Kami masih memiliki banyak pekerjaan pengembangan untuk dilakukan, seperti meningkatkan laser dan mencapai operasi kontinu, namun dalam prinsipnya, kami telah menunjukkan bahwa akselerator plasma cocok untuk jenis aplikasi ini,” catat Wim Leemans, salah satu penulis studi.
Ilmuwan memahami bagaimana teknik ini bisa digunakan. Mereka percaya itu mungkin membantu menciptakan dan mempercepat bundel elektron yang dapat dimasukkan ke dalam mesin sinar-X yang kuat seperti PETRA III.
PETRA adalah fasilitas ilmiah besar di DESY yang menggunakan elektron bergerak cepat untuk menghasilkan sinar-X yang sangat terang. Sinar-X ini membantu ilmuwan memeriksa berbagai material, molekul, dan sampel biologis dengan detail yang besar.
Studi ini telah dipublikasikan dalam jurnal Nature.