Нови ускорители вдигат на крака изследванията

Километричните ускорители ще бъдат заменени от компактни, с размери на голяма стая, а рентгеновите апарати със свръхвисока резолюция може да станат съвсем „ръчни”.

Физиците от Националната ускорителна лаборатория на Станфордския център с линеен ускорител Джоел Инглънд създадоха нов тип лазерни ускорители на частици, способни да придадат на електроните енергия, която десет пъти превишава показателите на миниускорителите от подобен род.

Ключов компонент в разработката е наноструктурираната микросхема от кварцово стъкло, което по размер не надвишава оризово зърно. Важното е, че устройството е създадено от лазери, които може да се открият в продажба, а не от уникални лабораторни екземпляри. А за неговото сглобяване са използвани „масови евтини методи”.

По време на изпитанията на получените миниускорители се измервало количеството енергия, което те придавали на електроните за единица дължина на ускорителя. Получена била цифра, еквивалентна на 300 милиона електронволта на метър. Това е около десет пъти повече от показателите на сегашния Станфордски линеен ускорител, който е с дължина 3,2 км.

„Нашата цел е да постигнем с помощта на такава структура придаване на частицата на милиард електронволта на метър дължина и още след първия експеримент изминахме една трета от този път”, подчертава водещият изследовател Робърт Байер от Станфордския университет.

Днес за ускоряване на електроните в ускорителите се прилагат микровълни. Учените по цял свят се опитват да разработят по-икономичен път, който да позволи създаването на мощни ускорители без строителството на грамадни съоръжения, подобни на Големия адронен колайдер. И макар че всички те действат на лазери с максимално кратки импулси, досега съществен пробив не е постиган.

Подложка с множество лазерни микроускорители.

Първата фаза на всяко ускорение е проста – на частиците се придава скорост, близка до светлинната. На втория допълнителното ускорение почти не променя скоростта на частиците, но расте тяхната енергия.

Втората част е най-сложна. С първата нелошо се справят и обикновените ускорители, затова в хода на изпитанията експерименталното лазерно устройство на станфордци било използвано в качеството на „втора степен”.

Предварително ускорените електрони били съсредоточени в малък канал с диаметър половин микрон в микросхема от кварцово стъкло с дължина половин милиметър. Вътре в схемата предварително били нанесени нанонеравности, а когато излъчването на инфрачервения лазер попадало върху образеца, той генерирал електрично поле, което взаимодействало с електроните в канала, придавайки им енергия.

Както е показано на видеото по-долу, вълните от инфрачервения лазер в нормални условя биха ускорили електроните толкова, колкото биха ги забавили. Но благодарение на това, че каналът има препятствия в половината от участъка, а излъчването от лазера по време се регулира и свързва с преминаването на електрона през необходимите участъци, ускорението от неговия лъч е по-високо, а спирането – значително по-ниско, отколкото в естествени условия:

Впрочем малко е цял ускорител да се смали до едно компактно устройство. Група германски изследователите начело с Петер Хомелхоф от университета в Ерланген-Нюрнберг, които си сътрудничат с екипа от Станфорд, знае как вместо грамаден микровълнов ускорител, ускоряващ електроните на предварителния стадий, да използва лазерен, близък по компактност до станфордския.

Какво ще даде разработката на толкова малки, но мощни ускорители? Разбира се, ще им се радват физиците – рентгеновите лазери на свободни електрони и всевъзможните изследователски ускорители, поместени в много ограничено пространство, ще бъдат много по-евтини от сегашните.

Това ще позволи да се развиват тези направления от научната работа, за които днес парите не стигат. Според изчисленията станфордският линеен ускорител ще може да се замени от трийсетметров (вместо сегашните три километра), а и следващият Голям адронен колайдер е възможно да загуби първата дума от названието си.

От друга страна, днешните рентгенови апарати са скъпи и големи и не могат да се използват за експресна домашна диагностика. Освен това резолюцията на новите рентгенови устройства може да се окаже радикално по-висока – такава, която днес е достъпна само в най-добрите световни лаборатории, която позволява да се видят деформации в костите или вътрешните органи още преди последните да започнат да ни убиват.

Разбира се, сериозно ще се подобри и качеството на ръчните скенери за сигурност на летищата, както и средствата за радиотерапия и радиохирургия на главния мозък и гръбначния стълб.

Отчет за изследването е публикуван в сп. Nature.