Mit dem erfolgreichen Abschluss des ersten 2-Petawatt-Experiments ist ZEUS bereit, die Grenzen der Hochfeldwissenschaft zu erweitern und Forschern leistungsstarke neue Werkzeuge zur Verfügung zu stellen, die Forschung und Innovation erleichtern. Das Team verbessert weiterhin das System und strebt danach, seine maximale Kapazität zu erreichen, während Benutzerexperimente bereits laufen.
Die Zeus-Laseranlage der University of Michigan katapultiert die Vereinigten Staaten an die Spitze der Hochintensitätslaserwissenschaft. In seinem ersten offiziellen Experiment erreichte der ZEUS-Laser eine Spitzenleistung von 2 Petawatt, doppelt so viel wie andere Laser in den Vereinigten Staaten. Obwohl der Ausbruch mehr als 100-mal stärker war als die weltweite Gesamtexplosion und nur 25 Billiardstel Sekunden dauerte, stellte er einen wichtigen Meilenstein in den Forschungskapazitäten der USA dar.
„Dieser Meilenstein markiert den Beginn einer Reise in Neuland für wissenschaftliche Hochfeldexperimente in den USA“, sagte Karl Krushelnik, Direktor des Gérard Mouroud Center for Ultrafast Optical Science, der Heimat von ZEUS. Die Universität sagte, die 16-Millionen-Dollar-Anlage sei angesichts ihrer Größe und ihres Potenzials „ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis“.
ZEUS wird von der National Science Foundation (NSF) unterstützt und fungiert als Benutzereinrichtung, die Forschungsteams aus den gesamten Vereinigten Staaten und der ganzen Welt willkommen heißt. Experimentelle Vorschläge werden durch einen unabhängigen Prüfprozess ausgewählt, um sicherzustellen, dass die Leistung ihrer Laser für die vielversprechendste wissenschaftliche Forschung genutzt wird. Von der von ZEUS durchgeführten Forschung wird erwartet, dass sie Fortschritte in Bereichen wie Medizin, nationale Sicherheit, Materialwissenschaften, Astrophysik, Plasmawissenschaft und Quantenphysik vorantreibt.
Das ZEUS-System besteht hauptsächlich aus handelsüblichen Komponenten und beinhaltet fortschrittliche Technologien, darunter Dual-Chirped-Pulsverstärker und programmierbare akusto-optische Filter, um die präzise Bandbreite und Phase beizubehalten, die für ultrakurze Hochleistungspulse erforderlich sind. Der Laser kann komprimierte Impulse von nur 20 Femtosekunden aussenden und ermöglicht so eine Vielzahl hochmoderner Experimente.
ZEUS ist in einem Raum untergebracht, der etwa der Größe einer Schulturnhalle entspricht, und beherbergt drei verschiedene Zielbereiche, die jeweils auf eine bestimmte Forschungsanwendung zugeschnitten sind. Die Zielregion 2 ist für Experimente mit Festkörperzielen und Ionenbeschleunigung konzipiert, während die Zielregion 3 für die Laser-Wakefield-Beschleunigung optimiert ist und Elektronenenergien bis zu etwa 5 GeV messen kann.
Die Fähigkeit des Geräts, einen Strahl zu teilen, ermöglicht es, eine millionenfach höhere Intensität als ein einzelner Strahl zu erreichen, was die Untersuchung extremer Phänomene wie Quantenvakuumstrukturen und die Entstehung von Materie-Antimaterie-Paaren aus dem leeren Raum ermöglicht.
„Eines der großartigen Dinge an ZEUS ist, dass es nicht nur ein großer Laserhammer ist, sondern Licht in mehrere Strahlen aufteilen kann“, sagte Franklin Dollar, Professor an der University of California in Irvine, dessen Team das erste Benutzerexperiment mit 2 Petawatt durchführt.
Zielgebiet 1, wo die ersten 2-Petawatt-Benutzerexperimente stattfinden werden.
Dollars Team arbeitet mit Wissenschaftlern am ZEUS zusammen, um Elektronenstrahlen mit Energien zu erzeugen, die mit denen vergleichbar sind, die von Teilchenbeschleunigern mit einer Länge von Hunderten Metern erzeugt werden. Ihr Ziel ist es, Elektronenenergien zu erreichen, die fünf- bis zehnmal höher sind als die, die ZEUS bisher erreicht hat.
„Ziel war es, mit zwei separaten Laserstrahlen höhere Elektronenenergien zu erreichen – einer zur Bildung des Führungskanals und der andere zur Beschleunigung der Elektronen durch den Kanal“, erklärt Anatoly Maksimchuk, ein Forschungswissenschaftler an der University of Michigan, der die Entwicklung des Experimentierbereichs leitete.
Um dieses Ziel zu erreichen, haben die Forscher das Target neu gestaltet und den Hohlraum, der das Helium enthält, verlängert. Wenn ein Laserpuls auf das Helium trifft, werden den Atomen Elektronen entzogen, wodurch ein Plasma entsteht, das das Helium in eine Mischung aus freien Elektronen und positiv geladenen Ionen umwandelt. Im Nachlauf des Laserpulses werden die Elektronen dann beschleunigt, ein Vorgang, der als Wakefield-Beschleunigung bezeichnet wird. Da sich Licht in einem Plasma langsamer ausbreitet, können Elektronen den Puls einholen und mitreiten, wodurch sie über längere Distanzen in einem weniger dichten, ausgedehnten Ziel mehr Energie gewinnen.
Diese Demonstration der ZEUS-Leistung ist ein Auftakt zum Signaturexperiment der Anlage, das voraussichtlich noch in diesem Jahr stattfinden wird. In diesem Experiment kollidieren beschleunigte Elektronen mit Laserpulsen, die sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Im elektronischen Bezugsrahmen wäre ein 3-Petawatt-Laserpuls eine Million Mal stärker als ein Elektron und würde einen Puls auf Ziva-Niveau erreichen – daher der vollständige Name von ZEUS: „Zeva Equivalent Ultrashort Laser Pulse System“.
Vyacheslav Lukin, Programmdirektor der Physikabteilung der National Science Foundation, sagte, dass die potenziellen Vorteile von ZEUS weit über die Physik hinausgehen und sich auch auf Fortschritte im Gesundheitswesen, in der Technologie und in der wirtschaftlichen Entwicklung auswirken werden. „Die in der NSF-ZEUS-Einrichtung durchgeführte Grundlagenforschung hat das Potenzial für ein breites Anwendungsspektrum, einschließlich der Verbesserung von Bildgebungsmethoden für Weichgewebe und der Weiterentwicklung von Technologien zur Behandlung von Krebs und anderen Krankheiten“, sagte er.
Die Experimente von ZEUS könnten auch dazu beitragen, astrophysikalische Phänomene wie die Positronenjets und Gammastrahlenausbrüche von Schwarzen Löchern zu erklären und die Laborwissenschaft mit einigen der mysteriösesten Ereignisse im Universum in Verbindung zu bringen.
Der Weg zur Erreichung von 2 Watt verlief nicht reibungslos. Die Beschaffung des für den Endverstärker erforderlichen, mit Titan dotierten Saphirglases mit fast 7 Zoll Durchmesser dauerte mehrere Jahre. „Der Kristall, den wir im Sommer bekommen werden, wird es uns ermöglichen, eine Leistung von 3 Petawatt zu erreichen, und die Herstellung hat viereinhalb Jahre gedauert“, sagte ZEUS-Projektmanager Franko Bayer. „Wir haben weltweit nur eine Handvoll Titan-Saphirkristalle dieser Größe.“
Der Übergang vom 300-Terawatt-HERCULES-Laser zum 1-Petawatt-System von ZEUS brachte auch einige technische Herausforderungen mit sich. Die unerwartete Verdunkelung des Beugungsgitters wurde auf Kohlenstoffablagerungen zurückgeführt, die sich bildeten, als der intensive Strahl mit restlichen Molekülen in der Vakuumkammer interagierte. Das Team legte sichere Betriebsgrenzen fest, um weitere Schäden zu verhindern.
Seit seinem Start im Oktober 2023 hat ZEUS 11 Experimente mit 58 Forschern aus 22 Institutionen durchgeführt, darunter auch internationale Teilnehmer. Das Nutzermodell der Einrichtung ähnelt dem anderer großer Forschungszentren, wie etwa des LCLS-II des SLAC National Accelerator Laboratory, und hat zu weltweiten Kooperationen geführt.