Accelerator compactFizicienii din Austin, Univ. of Texas, au construit un accelerator de particule care încape pe o masă şi care poate genera energiile şi vitezele atinse anterior doar în cadrul marilor acceleratoare care au sute de metri lungime şi necesită investiţii de sute de milioane de dolari.

 

 


„Noi am accelerat aproximativ o jumătate de miliard de electroni la o energie de 2 GeV pe o distanţă de aproximativ 1 inch", a spus Mike Downer, profesor de fizică la College of Natural Sciences. „Până acum acest nivel de energie şi focalizare necesita un accelerator convenţional care se întindea pe o lungime mai mare decât cea a două terenuri de fotbal. Este o reducere la scară cu un factor de aproximativ 10.000".

Rezultatele, care au fost publicate în Nature Communications, stabilesc un reper important în ceea ce priveşte evoluţia acceleratoarelor de particule, anticipând momentul când acceleratoarele laser cu plasmă, având energii de mai mulţi GeV, vor intra în dotarea standard a laboratoarele de cercetare din întreaga lume.



Accelerator compact

Dispozitivul din figură accelerează aproximativ o jumătate de miliard de electroni la o energie de 2 GeV pe o distanţă de aproximativ 1 inch (25,4 mm). Pentru a obţine această performanţă, un accelerator convenţional de particule se întindea pe o distanţă mai mare decât lungimea a două terenuri de fotbal. Credit: Rafal Zgadzaj.


Downer a declarat că se aşteaptă ca acceleratoarele de 10 GeV, având o lungime de câţiva inch, să fie dezvoltate în următorii câţiva ani şi consideră că acceleratoarele de 20 GeV, având dimensiuni similare, ar putea fi dezvoltate într-un interval de timp de un deceniu.

Downer a spus că electronii din actualele acceleratoare de 2 GeV pot genera raze X având intensităţi similare celor din marile acceleratoare. El crede că evoluţiile viitoare ar putea permite obţinerea chiar a unui laser de electroni ce generează raze X (X-ray free electron laser), acesta reprezentând cea mai puternică sursă de raze X disponibilă în prezent pentru ştiinţă.

Un laser cu raze X, având dimensiuni reduse, ar fi de real folos pentru chimişti şi biologi în scopul de a studia cu ajutorul razelor X de mare intensitate, având o precizie atomică şi o rezoluţie de timp de ordinul femtosecundelor, bazele moleculare ale materiei şi vieţii, fără a fi nevoiţi să apeleze la marile acceleratoare construite.

Accelerator

Interiorul camerei de vid în care se produce accelerarea particulelor. Raza laser vine din dreapta. Celula de gaz, în care are loc accelerarea electronilor, este în centrul camerei. Accelerarea obţinută are loc pe o distanţă de aproximativ un inch. Credit: Neil Fazel.


„Vom fi capabili să producem raze X având o durată de ordinul femtosecundelor, care este intervalul de timp în care moleculele vibrează şi se produc cele mai rapide reacţii chimice", a spus Downer. „Ele vor avea energia şi intensitatea ce ne va permite să vedem, de exemplu, structura atomică a unei singure molecule de proteină dintr-o probă biologică".

Pentru a genera electroni având energia necesară să producă aceste raze X, Downer şi colegii săi au folosit o metodă de accelerare cunoscută sub termenul de accelerare laser-plasmă. Aceasta presupune aplicarea unui fascicul laser de mare intensitate într-un nor de gaz.

„Pentru un nespecialist aceasta pare o tehnologie simplă", a spus Downer. „Tot ce trebuie să faci este să generezi un nor de gaz cu densitatea potrivită. Se aplică o rază laser pe acesta. Gazul se ionizează şi creează plasma, dar în plasmă rămân amprentele lăsate de raza laser. Raza laser separă electronii de ionii din fundal şi creează câmpurile electrice interne de intensitate mare. În continuare, particulele încărcate electric, ce apar direct din plasmă, sunt prinse în aceste câmpuri, se deplasează de-a lungul lor la viteze apropiate de viteza luminii şi sunt accelerate".

Downer compară acest proces cu ce s-ar întâmpla dacă aţi arunca o şalupă, având motorul pornit, într-un lac. Barca (raza laser) împrăştie apa şi creează un val care se mişcă la suprafaţa lacului cu o viteză mare. În timpul fazei de împrăştiere a apei, unele picături (particule încărcate) sunt separate, prinse în valul creat şi accelerate prin deplasarea pe creasta acestui val.

„La celălalt capăt al lacului ele vor ieşi în mediu la viteze incredibil de mari", a declarat Downer. „Acesta este fasciculul nostru de electroni având energia de 2 GeV".

Fizicianul Toshiki Tajima, din cadrul University of Texas şi mai târziu fizicianul John Dawson, din cadrul UCLA, au propus utilizarea unei accelerări de tip laser-plasma încă de la sfârşitul anilor 1970. Oamenii de ştiinţă au realizat primele experimente, prin aplicarea acestui concept, la începutul anilor 1990, dar ele au fost limitate de puterea laserelor utilizate. Ca rezultat, energia maximă obţinută a fost de aproximativ 1 GeV şi această valoare nu a fost depăşită timp de mai mulţi ani.

Downer şi colegii săi au fost capabili de a utiliza Texas Petawatt Laser, unul dintre cele mai puternice lasere din lume, pentru a depăşi această barieră. Texas Petawatt Laser le-a permis, în special, să utilizeze gaze care sunt mult mai puţin dense decât cele utilizate în experimentele anterioare.

„La o densitate mai mică, raza laser poate călători mai repede prin gaz", a spus Downer. „Dar la generaţiile anterioare de lasere, când densitatea devenea prea mică, rata de împrăştiere nu a fost suficientă pentru a injecta electronii în accelerator, astfel încât nu s-a obţinut nimic la ieşire. Aceasta este situaţia când este necesară utilizarea lui Texas Petawatt Laser. Atunci când laserul generat de acesta intră într-o plasmă de joasă densitate, el poate provoca o împrăştiere mai mare a electronilor".

Downer a declarat că el și echipa sa au demonstrat funcţionarea acceleratoarelor de 2 GeV şi susţin că ar trebui să fie doar o chestiune de timp până când acceleratoarele de 10 GeV vor fi construite. Depăşirea acestui prag este importantă, deoarece echipamentele de 10 GeV pot fi capabile să efectueze analizele cu raze X pe care biologii şi chimiştii le doresc.

„Nu cred că este necesar un progres major pentru a ajunge acolo", a spus el. „În cazul în care vom putea obţine finanţare pentru următorii câţiva ani, toate acestea se vor putea realiza. Companiile vând acum lasere comerciale cu puteri de ordinul petawattilor (1PW=1015 W) şi pentru a le moderniza pe acestea companiile vor produce module de accelerare având energia de 10 GeV. Apoi, utilizatorii finali, chimiştii şi biologii, le vor utiliza şi vor genera şi mai multe inovaţii şi descoperiri".



Traducere de George Cristian Podariu după particle-tabletop-chapter-science, cu acordul Phys.org.

Puteți comenta folosind contul de pe site, de FB, Twitter sau Google ori ca vizitator (fără înregistrare). Pt vizitatori comentariile sunt moderate (aprobate de admin).

Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Fii primul care comentează.

Spune-ne care-i părerea ta...
caractere rămase.
Loghează-te ( Fă-ți un cont! )
ori scrie un comentariu ca „vizitator”

 



Donează prin PayPal ()


Contact
| T&C | © 2021 Scientia.ro