Πολύ φθηνότεροι, μικρότεροι σπαστήρες ατόμων μπορεί να είναι στον ορίζοντα
Ο μεγαλύτερος θρυμματιστής στον κόσμο έχει περιφέρεια 27 χιλιόμετρα και κόστισε 5 δισεκατομμύρια δολάρια. Αλλά πολύ μικρότεροι επιταχυντές σωματιδίων -ίσως μήκους μόλις 1 χιλιομέτρου- μπορεί να βρίσκονται στον ορίζοντα, παρέχοντας παρόμοιες ενέργειες με ένα κλάσμα του κόστους, σύμφωνα με έρευνα που δημοσιεύτηκε σήμερα.
Τα αποτελέσματα σηματοδοτούν "μια σημαντική ανακάλυψη" στην αναζήτηση φθηνότερων επιταχυντών υψηλής ενέργειας, λέει ο Ralph Assmann, φυσικός επιταχυντών στο γερμανικό εργαστήριο Electron Synchrotron (DESY) στο Αμβούργο, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία.
Καθώς τα σωματίδια κυκλοφορούν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο εργαστήριο CERN κοντά στη Γενεύη, στην Ελβετία, ή σε κάποιον άλλο συμβατικό επιταχυντή, οι φυσικοί αυξάνουν την ενέργειά τους περνώντας τα μέσα από μια σειρά μεταλλικών κοιλοτήτων που αντηχούν με ραδιοκύματα, όπως ακριβώς οι σωλήνες οργάνων δαχτυλίδι με ηχητικά κύματα. Ο χρόνος είναι σωστός και τα διερχόμενα σωματίδια σερφάρουν στα ηλεκτρικά πεδία των ραδιοκυμάτων για να αποκτήσουν ενέργεια. Αλλά όσο μεγαλύτερη είναι η απαιτούμενη ενέργεια, τόσο περισσότερες κοιλότητες χρειάζονται. Αυτό σημαίνει μεγαλύτερους —και ακριβότερους— επιταχυντές. Ο προτεινόμενος Διεθνής Γραμμικός Επιταχυντής (ILC), για παράδειγμα, θα συνέτριβε ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια μαζί με ενέργεια 250 δισεκατομμυρίων ηλεκτρονβολτ (eV) σε μια σήραγγα μήκους 20 έως 40 χιλιομέτρων και θα κόστιζε τουλάχιστον 7 δισεκατομμύρια δολάρια.
Αντίθετα, η συνεργασία Advanced Wakefield (AWAKE) στο CERN έχει αναπτύξει έναν επιταχυντή που αποτελείται κυρίως από έναν σωλήνα αερίου ρουβιδίου μήκους 10 μέτρων. Οι ερευνητές εγχέουν στις δέσμες αερίων πρωτονίων από έναν από τους επιταχυντές χαμηλότερης ισχύος του CERN, καθώς και έντονους παλμούς λέιζερ. Τα τελευταία ιονίζουν το αέριο, δημιουργώντας ένα πλάσμα που αποτελείται από θετικά φορτισμένα ιόντα και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια.
Καθώς κάθε δέσμη πρωτονίων περνά μέσα από το πλάσμα με ταχύτητα σχεδόν του φωτός, έλκει τα γύρω ηλεκτρόνια προς τον άξονα ταξιδιού του. Ενώ η δέσμη πρωτονίων κινείται προς τα εμπρός, τα ηλεκτρόνια συγκλίνουν στον άξονα, δημιουργώντας έναν θύλακα αρνητικού φορτίου στον απόηχο της δέσμης. Η ίδια διαδικασία εκτυλίσσεται λίγο πιο μακριά στον σωλήνα, δημιουργώντας μια δεύτερη συστάδα ηλεκτρονίων μπροστά από την πρώτη, ενώ η ορμή της αρχικής ομάδας αναγκάζει αυτά τα ηλεκτρόνια να ξεπεράσουν το σημάδι τους και να αφήσουν μια περιοχή που κυριαρχείται από βαρύτερα, πιο στατικά ιόντα. Το αποτέλεσμα είναι ένα «πεδίο εγρήγορσης» εναλλασσόμενων θετικών και αρνητικών περιοχών που δημιουργούνται πίσω από τη δέσμη πρωτονίων, οι οποίες στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για την επιτάχυνση άλλων σωματιδίων.
Έχοντας παρατηρήσει τα wakefields πέρυσι, η ομάδα του AWAKE έχει τώρα εγχύσει προσεκτικά δέσμες ηλεκτρονίων στο πλάσμα, έτσι ώστε να ωθούνται από μια αρνητική περιοχή φορτίου πίσω τους και να έλκονται από μια θετική περιοχή μπροστά. Αυτή η ώθηση και η έλξη θα πρέπει να είναι τόσο ισχυρή ώστε τα ηλεκτρόνια να μπορούν να επιταχυνθούν σε πολύ υψηλές ενέργειες σε πολύ μικρότερη απόσταση από ό,τι είναι δυνατό με τις κοιλότητες ραδιοσυχνοτήτων.
Με τις δέσμες σωματιδίων και τους παλμούς λέιζερ να ταξιδεύουν με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός, συγχρονίζοντας τα τρία σετ εγχύσεων έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια στην πραγματικότητα να σερφάρουν στο wakefield δεν είναι καθόλου απλό. Αλλά σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature , η συνεργασία αναφέρει ότι ενίσχυσε τα ηλεκτρόνια στα 2 δισεκατομμύρια eV στο σωλήνα του πλάσματος. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια αποκτούν ενέργεια με 0,2 δισεκατομμύρια eV ανά μέτρο, μια "επιταχυνόμενη κλίση" που είναι περίπου διπλάσια από αυτή του καλύτερου επιταχυντή ραδιοσυχνοτήτων.
Όσο εντυπωσιακό κι αν είναι αυτό, άλλες ομάδες έχουν ήδη πάει καλύτερα. Δημιουργώντας πεδία εγρήγορσης χρησιμοποιώντας παλμούς λέιζερ ή άλλα ηλεκτρόνια, αντί για πρωτόνια, οι φυσικοί είχαν προηγουμένως επιτύχει κλίσεις έως και 100 δισεκατομμυρίων eV ανά μέτρο. Αλλά αυτές οι διαβαθμίσεις περιορίζονται σε πολύ μικρές αποστάσεις, επειδή οι παλμοί λέιζερ και τα ηλεκτρόνια εξαντλούνται γρήγορα από ενέργεια. Επομένως, η παροχή των πολύ υψηλών ενεργειών που απαιτούνται για τη μελέτη εξωτικών νέων σωματιδίων θα συνεπαγόταν τη σύνδεση μιας μεγάλης σειράς επιταχυντών πλάσματος μαζί - ένα πρόβλημα συγχρονισμού πολύ πιο περίπλοκο από αυτό που τίθεται από έναν μόνο επιταχυντή, σύμφωνα με τον αναπληρωτή εκπρόσωπο του AWAKE, Matthew Wing, σωματιδιακό φυσικό. στο University College του Λονδίνου.
Αντίθετα, οι φυσικοί πιστεύουν ότι με τη χρήση πρωτονίων χρειάζεται να χρησιμοποιήσουν μόνο ένα τμήμα πλάσματος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι είναι δυνατό να περιστρέφονται τα πρωτόνια σε πολύ υψηλότερες ενέργειες αρχικά. Πράγματι, ο Wing και οι συνεργάτες του έχουν βρει ότι τα πρωτόνια των 7 τρισεκατομμυρίων eV που παράγονται από τον LHC θα ενίσχυαν τα ηλεκτρόνια σε 1 τρισεκατομμύριο eV σε μια συσκευή μήκους 1 χιλιομέτρου—αν και σε ένα τέτοιο σχήμα χρειάζεστε ακόμα έναν επιταχυντή τόσο μεγάλο και ακριβό όπως το LHC για αρχή.
Η Wing λέει ότι μια έκδοση μειωμένης τιμής του ILC μάλλον δεν είναι στα χαρτιά αυτή τη στιγμή. Ένα τέτοιο μηχάνημα θα απαιτούσε εξαιρετικά συμπαγείς δέσμες με πολύ ακριβή ενέργεια και οι επιταχυντές πλάσματος δεν μπορούν ακόμη να παράγουν τόσο υψηλής ποιότητας δέσμες. Αλλά εκτιμά ότι η τεχνολογία του AWAKE θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μέσα στα επόμενα 20 χρόνια για να μετατρέψει τον LHC σε επιταχυντή ηλεκτρονίων-πρωτονίων για να διερευνήσει εάν σωματίδια όπως τα κουάρκ και τα ηλεκτρόνια έχουν εσωτερική δομή. Μια τέτοια εγκατάσταση, εκτιμά, θα κόστιζε μόνο περίπου το ένα δέκατο του ισοδύναμου ραδιοσυχνοτήτων της.
Ωστόσο, πριν ξεκινήσετε ένα τόσο φιλόδοξο έργο, η συνεργασία πρέπει να δημιουργήσει πιο σφιχτά δέσμες ηλεκτρονίων και να αυξήσει την επιτάχυνσή τους. Μέσα στα επόμενα 5 χρόνια, οι ερευνητές ελπίζουν να ενισχύσουν την κλίση του επιταχυντή τους έτσι ώστε να φτάσει ίσως τα 10 δισεκατομμύρια eV σε 10 έως 20 μέτρα. "Σε εκείνο το σημείο, θα μπορούσαμε να αρχίσουμε να σκεφτόμαστε να χρησιμοποιήσουμε αυτές τις δέσμες για πειράματα φυσικής σωματιδίων", λέει ο Wing.
Ο Brian Foster, σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης στο Ηνωμένο Βασίλειο, είναι «εντυπωσιασμένος και ευχάριστα έκπληκτος» με το πόσο γρήγορα το AWAKE μετέτρεψε μια θεωρητική πρόταση (από το 2009) σε πειραματική πραγματικότητα. Αλλά αμφιβάλλει ότι ένας επιταχυντής ηλεκτρονίων-πρωτονίων με βάση το πλάσμα θα μπορούσε να παράγει αρκετά νέα αποτελέσματα φυσικής για να δικαιολογήσει αυτό που προβλέπει ότι θα είναι "το πολύ σημαντικό κόστος" της κατασκευής και λειτουργίας μιας τέτοιας μηχανής. Ωστόσο, για τους φυσικούς που εργάζονται σε επιταχυντές πλάσματος, η προοπτική τεράστιων μελλοντικών εξοικονομήσεων κάνει την τεχνολογία να αξίζει να συνεχιστεί. Το σερφάρετε!
