Οι φυσικοί ανεβάζουν ρεύμα σε νέο τύπο επιταχυντή

Ένας επιταχυντής σωματιδίων μήκους χιλιομέτρων μπορεί να αποτελεί την επιτομή της μεγάλης επιστήμης, αλλά μια ομάδα φυσικών έχει κάνει ένα βασικό βήμα για να κάνει την ίδια δουλειά με ένα πολύ μικρότερο μηχάνημα. Η ομάδα ενίσχυσε το ρεύμα σε έναν πειραματικό τύπο επιταχυντή - γνωστό ως επιταχυντής πλάσμα wakefield - και έδειξε ότι μπορεί να παράγει αποτελεσματικά μια έντονη δέσμη ηλεκτρονίων που επιταχύνεται σε μια επακριβώς καθορισμένη ενέργεια. Εξακολουθούν να υπάρχουν πολλές προκλήσεις, αλλά ορισμένοι φυσικοί ελπίζουν ότι κάποια μέρα ένα τέτοιο σχήμα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή πολύ μικρότερων επιταχυντών σωματιδίων.

«Είναι σίγουρα ένα σημαντικό βήμα», λέει ο Gerald Dugan, ένας επιταχυντής φυσικός και ομότιμος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Cornell που δεν συμμετείχε στην εργασία. "Ταυτόχρονα υπάρχει πολύς δρόμος μπροστά μας" για την ανάπτυξη μιας πρακτικής τεχνολογίας.

Οι επιταχυντές σωματιδίων είναι απαραίτητα εργαλεία για πολλούς τύπους επιστήμης. Οι φυσικοί τα χρησιμοποιούν σε σπαστήρες ατόμων—όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων μήκους 27 χιλιομέτρων στην Ελβετία. Οι επιστήμονες υλικών και οι δομικοί βιολόγοι μελετούν δείγματα χρησιμοποιώντας ακτίνες Χ που εκπέμπονται από τις δέσμες στους επιταχυντές ηλεκτρονίων. Οι επιταχυντές συνήθως μετρούν εκατοντάδες ή χιλιάδες μέτρα σε μήκος και κοστίζουν εκατοντάδες εκατομμύρια δολάρια.

Αυτό οφείλεται εν μέρει στο ότι ένας συμβατικός επιταχυντής μπορεί να ενισχύσει την ενέργεια ενός σωματιδίου μόνο τόσο γρήγορα. Για να επιταχύνουν φορτισμένα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, οι φυσικοί εκτοξεύουν δέσμες από αυτά μέσω ενός θαλάμου κενού που ονομάζεται κοιλότητα ραδιοσυχνοτήτων (RF), η οποία κουδουνίζει με ραδιοκύματα όπως και ένας σωλήνας οργάνου με ηχητικά κύματα. Τα ηλεκτρόνια αποκτούν ενέργεια σερφάροντας στα ραδιοκύματα και ο ρυθμός επιτάχυνσης εξαρτάται από την ισχύ του ταλαντούμενου ηλεκτρικού πεδίου μέσα στα κύματα. Αλλά υπάρχει ένα όριο στο πόσο δυνατό μπορεί να είναι αυτό το πεδίο. Εάν είναι πολύ ισχυρό, θα σκίσει ηλεκτρόνια από τα μεταλλικά τοιχώματα της κοιλότητας και θα παράγει σπινθήρες που μπορούν να βλάψουν το μηχάνημα.

Λόγω αυτού του ορίου, οι επιταχυντές υψηλής ενέργειας πρέπει να είναι μεγάλοι. Για παράδειγμα, πολλοί φυσικοί σωματιδίων ελπίζουν να κατασκευάσουν έναν επιταχυντή χρησιμοποιώντας δύο αντίθετους γραμμικούς επιταχυντές ευθείας βολής για να εκτοξεύσουν μια δέσμη ηλεκτρονίων σε μια δέσμη ποζιτρονίων με ενέργειες 500 γιγαηλεκτρονίων βολτ (GeV). Για να επιτευχθεί η επιθυμητή ενέργεια, ο προτεινόμενος Διεθνής Γραμμικός Επιταχυντής (ILC), που θα μπορούσε να κατασκευαστεί στην Ιαπωνία, θα πρέπει να έχει μήκος 40 χιλιόμετρα.

Αλλά υπάρχει μια άλλη πιθανότητα. Οι φυσικοί μπορούν να εγκαταλείψουν τις κοιλότητες RF και να δημιουργήσουν επιταχυνόμενα πεδία εκατοντάδες φορές ισχυρότερα σε ένα πλάσμα—ένα αέριο που ενεργοποιείται έτσι ώστε τα άτομα να διαχωρίζονται σε ηλεκτρόνια και ιόντα. Οι ερευνητές εκτοξεύουν στο πλάσμα έναν παλμό ηλεκτρονίων ή φως λέιζερ. Αυτή η «οδήγηση δέσμης» παραμερίζει τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια στο πλάσμα, αλλά μετά βίας κινεί τα βαρύτερα θετικά φορτισμένα ιόντα. Έτσι στο πέρασμά της, ανοίγει μια φυσαλίδα θετικού φορτίου, ακολουθούμενη από έναν κόμπο αρνητικού φορτίου καθώς τα ηλεκτρόνια του πλάσματος ρέουν ξανά μαζί. Ως αποτέλεσμα, η αφύπνιση της δέσμης κίνησης παράγει ένα τεράστιο ηλεκτρικό πεδίο που μπορεί να επιταχύνει άλλα ηλεκτρόνια όπως ένα ταχύπλοο που τραβάει έναν θαλάσσιο σκιέρ.

Πριν από επτά χρόνια, ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLAC στο Menlo Park της Καλιφόρνια, έδειξαν ότι μπορούσαν να επιτύχουν πολύ υψηλές ενέργειες εκτοξεύοντας μια δέσμη ηλεκτρονίων από τον διάσημο γραμμικό επιταχυντή μήκους 3 χιλιομέτρων του εργαστηρίου σε έναν θάλαμο πλάσματος λιθίου. Σε λιγότερο από ένα μέτρο, επιτάχυνε τα αδέσποτα ηλεκτρόνια από το πλάσμα σε ενέργειες έως και 85 GeV—διπλάσια από την ενέργεια εισόδου. Αλλά μόνο μερικά ηλεκτρόνια επιταχύνθηκαν και βγήκαν με ένα πολύ ευρύ φάσμα ενεργειών, ακατάλληλα για σχεδόν οποιαδήποτε εφαρμογή.

Τώρα, η ομάδα SLAC έχει προχωρήσει παραπέρα τοποθετώντας μια ειδικά προσαρμοσμένη δέσμη ηλεκτρονίων 200 μικρόμετρα πίσω από τη δέσμη κίνησης—ένα εντυπωσιακό επίτευγμα δεδομένου ότι και τα δύο κινούνται με ταχύτητα σχεδόν φωτός. Για να διαχειριστεί αυτό το τέχνασμα, η ομάδα στην πραγματικότητα διαιρεί μια δέσμη ηλεκτρονίων από τον γραμμικό επιταχυντή της SLAC σε μια μεγαλύτερη δέσμη κίνησης και μια μικρότερη δέσμη μετάδοσης, όπως αναφέρει η ομάδα αυτή την εβδομάδα στο Nature . Εκτός από την αύξηση του αριθμού των ηλεκτρονίων που επιταχύνονται, η ίδια η τελική δέσμη εξισορροπεί το ηλεκτρικό πεδίο στον απόηχο, έτσι ώστε όλα τα ηλεκτρόνια να έχουν παρόμοια επιτάχυνση, μειώνοντας την εξάπλωση ενέργειας στο 1%. Το σημαντικότερο είναι ότι η μεγάλη μάτσο που ακολουθεί απορροφά την ενέργεια που χάνεται από τη δέσμη μετάδοσης κίνησης με υψηλότερη απόδοση καθώς μεγεθύνει από 20 GeV σε 22 GeV πάνω από 36 εκατοστά. Αυτή η απόδοση είναι μια βασική παράμετρος και το επίπεδο που επιτυγχάνεται—18%—είναι κοντά σε αυτό που απαιτείται για την κατασκευή ενός πρακτικού επιταχυντή, λέει ο Mark Hogan της SLAC.

«Είναι ένα τεράστιο βήμα προς τα εμπρός», λέει ο Thomas Katsouleas, μηχανικός και φυσικός στο Πανεπιστήμιο Duke στο Durham της Βόρειας Καρολίνας, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα. Η εξάπλωση και η αποδοτικότητα της ενέργειας πρέπει ακόμη να βελτιωθούν, λέει, αλλά "μιλάμε για έναν παράγοντα 2 περίπου, ενώ πριν μιλούσαμε δύο τάξεις μεγέθους."

Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλές προκλήσεις, ειδικά όταν πρόκειται για την πρακτική χρήση ενός συστήματος που βασίζεται σε ηλεκτρόνια. Ενώ ένα σύστημα που κινείται με λέιζερ θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί για να τροφοδοτήσει μια συμπαγή πηγή ακτίνων Χ, ένα σύστημα που οδηγείται από ηλεκτρόνια όπως αυτό στο SLAC είναι πιθανό να είναι καλό μόνο για την κατασκευή ενός επιταχυντή για τη φυσική σωματιδίων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι εξακολουθεί να απαιτείται ένας συμβατικός επιταχυντής για την παραγωγή των ηλεκτρονίων, λέει ο Michael Downer, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Austin. Για να ταιριάξουν με την ενέργεια του προτεινόμενου ILC, οι φυσικοί θα έπρεπε να περάσουν μια δέσμη ηλεκτρονίων μέσα από εκατοντάδες κύτταρα πλάσματος στη σειρά, λέει ο Downer, και κανείς δεν έχει επιδείξει τέτοια "σταδιοποίηση" μέχρι στιγμής.

Ακόμη πιο σημαντικό, για να φτιάξουμε έναν επιταχυντή όπως το ILC, το σχήμα που χρησιμοποίησε η ομάδα SLAC θα πρέπει να τροποποιηθεί για να επιταχύνει τα ποζιτρόνια, τα οποία θα αλληλεπιδρούν με το πλάσμα διαφορετικά από τα ηλεκτρόνια. Κανείς δεν ξέρει πώς να το κάνει αυτό, λέει ο Ντάουνερ. Η ανάταση των ποζιτρονίων είναι "περίπου 10 φορές πιο δύσκολη" από τα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια, εκτιμά ο Downer.