Akceleratorek cząstek

Duże, a nawet ogromne akceleratory cząstek, jak wielokilometrowy Wielki Zderzacz Hadronów czy wielotonowe akceleratory liniowe stosowane w placówkach medycznych do leczenia nowotworów, przyspieszają cząstki takie jak elektrony za pomocą pól elektrycznych i magnesów. Te pola elektryczne są zwykle generowane za pomocą fal radiowych, których długość fali jest mierzona w metrach lub centymetrach.

Peter Hommelhoff z Uniwersytetu w Erlangen-Norymberdze (Niemcy) i jego współpracownicy wykorzystali do przyspieszania cząstek światło, czyli falę elektromagnetyczną o znacznie mniejszej długości, mierzonej w setkach nanometrów (miliardowych części metra).

Dzięki tej zmianie udało się zbudować urządzenie, które może wytwarzać szybkie i dobrze skupione wiązki elektronów i może mieć zastosowania medyczne.

Aktywny element akceleratora powstał z krzemu uformowanego w tysiące słupków o wysokości 2 mikrometrów, ułożonych w przypominające pas startowy dwie równoległe linie o długości 0,2 milimetra każda.

Aby uruchomić urządzenie, badacze oświetlili od góry ten „pas startowy dla elektronów” światłem laserowym, jednocześnie z boku emitując elektrony.

Fale świetlne wchodziły w interakcję z krzemowymi filarami, tworząc pole elektromagnetyczne, które skupiało elektrony w wąskie pęczki. Te skupiska cząstek przyspieszały do prędkości ponad stu tysięcy kilometrów na sekundę.

Dłuższa (choć nadal mająca tylko 0,5 milimetra) wersja akceleratora pozwoliła przyspieszać elektrony jeszcze bardziej, zwiększając przenoszoną przez nie energię o 43 proc. Jak podkreśla Hommelhoff, oznacza to, że akcelerator jest skalowalny i można go powiększyć, a jednocześnie nadal byłby na tyle mały, że można by go zintegrować z chipami lub nawet zamontować bezpośrednio na końcu światłowodu doprowadzającego światło laserowe.

Chociaż już wcześniej zbudowano kilka małych akceleratorów, to pierwsze tego typu urządzenie, które nie tylko przyspiesza elektrony, ale także utrzymuje je w stosunkowo wąskiej wiązce, którą można wykorzystać w eksperymentach naukowych.

W tej chwili nowe urządzenie oddaje elektronom jedynie około jednej milionowej energii, którą uzyskują w większych akceleratorach. Hommelhoff twierdzi jednak, że mogą istnieć sposoby na zwiększenie energii każdego elektronu. Uważa, że pomocne mogłoby być wykonanie filarów akceleratora z topionej krzemionki, która jest w stanie wytrzymać bardziej intensywne światło lasera.

Jak zaznaczył Hommelhoff, naukowcy po raz pierwszy zaproponowali wykorzystanie światła do zmniejszania akceleratorów w latach 60. XX wieku, ale ówczesne wyzwania inżynieryjne utrudniały realizację pomysłu. Obecne technologie powinny umożliwić opracowanie na przykład nowych narzędzi zabiegowych dla lekarzy lub aparatury do sterylizacji na małą skalę dla laboratoriów biologicznych, nie mówiąc o innych zastosowaniach, na które twórcy miniakceleratorów jeszcze nie wpadli.

Więcej w materiale źródłowym.  (PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ agt/