ELI v spolupráci s americkým konsorciem na cestě k bezprecedentnímu mionovému zdroji pro společensky praktické aplikace

ELI jako jediný evropský partner americké národní laboratoře Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) společně s dalšími americkými průmyslovými a akademickými výzkumníky odstartovaly zásadní projekt týkající se zrychlení a zdokonalení procesu mionového zobrazování.  Iniciativa Intense and Compact Muon Sources for Science and Security (ICMuS2) je financována programem Muons for Science and Security Agentury pro pokročilý výzkum obranných projektů (DARPA).

Miony jsou subatomární částice, které mohou proniknout mnohem hlouběji než rentgenové záření, a to skrze materiál tak silný a hustý, jako jsou například třicetimetrové betonové zdi. Tato vlastnost umožňuje řadu jinak nerealizovatelných aplikací v oblasti zobrazování.

Miony vyskytující se v přírodě vznikají při strážkách při vysokých energiích ve vesmíru a následně dopadají na zemský povrch. Vědci díky nim měli možnost prozkoumat zdánlivě nemožná místa – sopky, tsunami, hurikány, egyptské Velké pyramidy v Gíze, kde byla objevena dosud neznámá komora, nebo jádra reaktoru v jaderné elektrárně Fukushima Daiichi.

Tento proces je však velmi pomalý. Vzhledem k nízkému toku přirozeně se vyskytujících mionů vyžadují tyto snímky expoziční časy v řádu měsíců. Vědci budou v rámci iniciativy ICMuS2 pracovat na změně tohoto stavu a kladou si za cíl pomocí vysokovýkonnýcn laserů miony generovat rychleji.

“Miony mají obrovský potenciál v několika oblastech,“ uvedl Jeff Wisoff, zástupce ředitele National Ignition Facility and Photon cience v LLNL. „Tento projekt využije prvotřídní laserové technologie a odborné znalosti laboratoře LLNL a položí základy pro průlom v oblasti zobrazování,“ dodává Wisoff.

Pod vedením Brendana Reagana z programu Advanced Photon Technologies LLNL bude ICMuS2 vyvíjet technický návrh přenosného mionového emitoru na bázi laseru s tokem řádově větším než u přírodně se vyskytujících mionů. Ten lze použít v oblasti zobrazování v širokém spektru aplikací, včetně detekce speciálních jaderných materiálů, těžby a geofyziky a dalších oblastí. Generace směrovaných mionů pomocí laserů již byla teoreticky navrhována, ale dosud nebyla nikdy definitivně dosažena.

„Shromáždili jsme tým světových lídrů v oborech potřebných k dosažení ambiciózních cílů programu DARPA MuS2,“ řekl Reagan. „Tento víceúrovňový projekt kombinuje vývoj vysokovýkonných laserů, fyziku vysokých energií částic, fyziku plazmatu, pokročilé numerické simulace na výkonných výpočetních systémech a systémové inženýrství a integraci. Jedná se o vzrušující program, který zdůrazňuje vědecké a technologické schopnosti laboratoře a odbornost našich partnerů.“

Projekt probíhá ve spolupráci s Extreme Light Infrastructure ERIC (ELI) na zařízení ELI Beamlines v České republice poblíž Prahy, kam LLNL dodal systém High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System (HAPLS). Dále se na projektu podílejí Colorado State University (CSU), University of Maryland (UMD), Lockheed Martin, XUV Lasers a Lawrence Berkeley National Laboratory.

Počáteční experimenty se budou realizovat pomocí plazmových vlnovodů vyvinutých na CSU v zařízení Advanced Laser for Extreme Photonics (ALEPH) s repetičním petavatovým laserovým zařízením. Experimenty s vysokou energií akcelerace a generace mionů budou prováděny v centru ELI Beamlines s použitím jeho laserového zařízení L4 ATON 10 PW.

Mimořádný výkon 10 PW se využije k vytvoření robustní jednostupňové platformy laserového akcelerátoru (využívajícího tzv. LWFA) v režimu blowout. Tím se otevírá cesta k dosažení dosud nedosažených energií elektronů až do 100 GeV. Tato generace vysokoenergetických elektronů položí základ pro optimalizaci podmínek pro řízenou produkci mionů.

Projekt ICMuS2 překračuje hranice vědy a posiluje spolupráci mezi ELI a jejími uznávanými partnery ve Spojených státech. Tato spolupráce vytváří dynamické prostředí pro výměnu znalostí a rozvoj inovativních myšlenek, což prospívá všem zúčastněným stranám.

„Vytváření silných partnerství je pro ELI klíčové obzvlášť nyní, když výzkumné zařízení rozšiřuje svůj nedávno spuštěný program pro uživatele a rozšiřuje svou uživatelskou komunitu,“ říká Allen Weeks, generální ředitel ELI ERIC. „To, že jsme nedílnou součástí tohoto projektu, je důkazem síly mezinárodní spolupráce, která odemkne nové vědecké příležitosti.“

První fáze tohoto čtyřletého projektu se zaměří na důkazové experimenty a jasnou demonstraci mionů vyrobených laserem. Druhá fáze bude hledat demonstraci produkce mionů s vysokou energií spolu s návrhem přenosného zdroje mionů.

Mezinárodní spolupráce, jako je např. ta s LLNL, přináší ELI obrovský benefit projevující se především v rozmanitosti odborností a aktivního zapojení do globální sítě vědecké spolupráce. Podporuje inspirativní prostředí pro výměnu znalostí a vzájemný prospěch. Partnerství zvyšuje postavení ELI jako globálního hráče v cutting-edge výzkumu a na poli mezinárodní vědecké spolupráce.

Laserový systém L4-Aton.

Klíčový krok při výrobě mionů: ultraintenzivní krátký laserový puls urychluje elektrony ve stopě, kterou za sebou zanechává při šíření plazmatem. Simulace provedená Joshem Ludwigem z LLNL ve spolupráci s partnery z univerzity v Marylandu a z národní laboratoře Lawrence Berkeley na HPC klastru Lassen za podpory programem LLNL Computing Grand Challenge pro projekt ICMuS2.

zdroj: tisková zpráva ELI ERIC