Pocsai Mihály András, Barna Imre, Bíró Gábor, Barnaföldi Gergely Gábor (2021.10.01 - 2022.08.31)

Wigner Fizikai Kutató Központ

Támogatás: NKFIH 2020-2.1.1-ED-2021-00179

Kivonat: A plazmás részecskegyorsítók koncepciója, hogy a részecskéket nem vákuumban, elektromágneses térrel gyorsítják, kollimálják és tartják a megfelelő pályán, hanem azokat egy ún. vezérlőnyaláb által keltett plazmahullámok segítségével gyorsítják fel [1]. A vezérlőnyaláb lehet egy töltött részecskékből álló nyaláb, vagy egy rövid, nagy intenzitású lézerimpulzus. A felgyorsítani kívánt részecskéket általában külső forrásból injektálják a plazmába, de plazmás elektrongyorsító esetén, amennyiben a plazmahullámokat egy lézerimpulzus kelti, és annak csúcsintenzitása elegendően nagy, úgy a maguk a plazmaelektronok is becsapdázódhatnak úgy, hogy a létrejövő plazmahullámok őket gyorsítsák. Az itt felvázolt folyamatban tehát a gyorsítandó nyaláboknak vezérlő nyalábok az általuk keltett plazmahullámok közvetítésével adják át energiájukat. A CERN–AWAKE kísérletben rövid protonnyalábok vonulatával kívánják létrehozni az elektronokat gyorsító plazmahullámokat [2]. A vezérlő protonnyalábok vonulatát a gyorsítóközegként szolgáló plazma hozza létre az SPS protonnyalábjából az önmodulációs instabilitás révén. A kísérlet működéséhez kulcsfontosságú, hogy a plazma ultrahomogén legyen, illetőleg a megfelelő részein pontosan az előírtak szerint változzék a sűrűsége. A plazmát, alacsony ionizációs potenciálja miatt, rubídiumból állítják elő egy 120 fs hosszú, intenzív, infravörös lézerimpulzus segítségével. Ez teszi indokolttá a rubídium fotoinizációs folyamatainak elméleti tanulmányozását.

A szóban forgó folyamatokat korábban is kvantummechanikai számításokon keresztül tanulmányoztuk [3]. Az alkalmazott módszer lényege, hogy az időfüggő Schrödinger-egyenlet megoldását a szabad rubídium atom Hamilton operátora sajátfüggvényeinek bázisán fejtjük ki, ahol a kifejtési együtthatók az időtől függenek. Ezt az Ansatzot a Schrödinger-egyenletbe visszahelyettesítve, egy közönséges, lineáris differenciálegyenletrendszert kapunk az időfüggő kifejtési együtthatókra, amelyek rendre az atom kötött vagy kontinuum állapotainak betöltöttségi amplitúdóit adják meg. A lézerfénnyel való kölcsönhatás utáni, végállapoti hullámfüggfényből meghatározható a teljes fotoionizációs valószínűség, a fotoelektronok energiaspektruma, szögeloszlása, valamint energia és polárszög szerinti eloszlása.

Referenciák:
[1] T. Tajima, J.M. Dawson: „Laser electron accelerator". Phys. Rev. Lett 43, 267–270 (1979).
[2] C. Petit-Jean-Genaz, G. Arduini, P. Michel, V. R. W. Schaa, (eds.), Proceedings, 5th International Particle Accelerator Conference (IPAC2014): Dresden, Germany, June 15–20, 2014, JACoW Conferences (CERN, Geneva, Switzerland, 2014).
[3] M.A. Pocsai, I.F. Barna and K. Tőkési: „Photoionisation of Rubidium in strong laser fields". Eur. Phys. J. D 73, 74 (2019).