Co tam Wielki Zderzacz Hadronów z CERN, Stworzono akcelerator, który ma wielkość... ludzkiego włosa
Wszyscy z nas kiedyś słyszeli o największej maszynie na świecie - to Wielki Zderzacz Hadronów w pod genewskim ośrodku CERN. Inną nazwą na to urządzenie jest akcelerator cząstek, bowiem na tym właśnie polega jego działanie.
Są w nim przyspieszane do prędkości bliskich prędkości światła nanocząstki, które następnie są ze sobą zderzane, tak jak zderzały się ze sobą w chaosie Wielkiego Wybuchu. Akcelerator cząstek w CERN jest największy na świecie, ale jego rozmiary nie są żadnym wyznacznikiem.
Pomysł sprzed sześciu dekad
Okazuje się bowiem, że naukowcy właśnie stworzyli akcelerator cząstek, który jest najmniejszy na świecie. Mierzy on zaledwie 0,2 mm i jest najmniejszym tego typu urządzeniem, jakie kiedykolwiek zbudowano. Jest to pierwszy tak mały akcelerator, który jest zdolny do wytwarzania szybkich i mocno skupionych wiązek elektronów, co może bardzo przydać się w medycynie. Jego rozmiary mogą więc być jego wielką zaletą.
Pomysł takich zminiaturyzowanych akceleratorów cząstek nie jest nowy. Naukowcy po raz pierwszy zaproponowali wykorzystanie światła lasera mogącego pozwolić na zmniejszenie rozmiarów akceleratorów już w latach 60. ubiegłego wieku, ale ówczesne możliwości technologiczne spowodowały, że pomysł ten pozostał wtedy jedynie na papierze.
Placówki medyczne specjalizujące się w leczeniu nowotworów to nie tylko miejsca takie jak instytuty badawcze w rodzaju CERN miejsca, gdzie akceleratory cząstek są używane do przyspieszania elektronów za pomocą pól elektrycznych i magnesów. Te pola elektryczne są zazwyczaj generowane za pomocą fal radiowych.
Tym razem naukowcy, do których należy doktor fizyki Peter Hommelhoff i jego zespół badawczy z Uniwersytetu Erlangen-Nuremberg w Niemczech postanowili podejść do tematu w inny sposób i przyspieszyć cząstki za pomocą innego rodzaju fali w spektrum elektromagnetycznym, jaką jest światło. Światło w odróżnieniu od fal radiowych ma znacznie krótszą długość fali mierzoną w nanometrach. Pozwoliło to na zminiaturyzowanie akceleratora do rozmiarów mniejszych niż jeden milimetr. Całkiem niezły przeskok w skali jeśli porównać go z akceleratorem z CERN który zajmuje dosłownie kilometry.
Osiągnięcie niemieckich naukowców zaowocowało pierwszym akceleratorem, który pozwala nie tylko na rozpędzanie elektronów do wysokich prędkości, ale jest także w stanie utrzymać ich strumień w dość wąskiej wiązce. To pozwala na wykorzystanie go do wielu eksperymentów naukowych. W pracy każdego akceleratora chodzi nie tylko o to, by nadać znajdującym się w nim cząstkom dużą prędkość, ale także o to, by utrzymać je w ryzach, czyli nie dopuścić do ich rozproszenia. To właśnie udało się naukowcom z Niemiec.
Na Spider's Web sporo piszemy o nauce:
100 tys. km/s
Do budowy tego mikroskopijnego akceleratora naukowcy zastosowali krzem, który został uformowany liczące 2 mikrometry „filary”, których tysiące zostały ułożone w dwa równoległe pasma. Każde z nich miało długość 0,2 mm. Do uruchomienia mikro urządzenia badacze użyli światła lasera, którym oświetlili wiązki krzemu jednocześnie wstrzykując do niego elektrony z boku. Fale świetlne z lasera oddziaływały z krzemowymi „filarami” tworząc pole elektromagnetyczne, które zbiło elektrony w cienkie wiązki. Następnie te wiązki zostały rozpędzone do prędkości przekraczającej 100 tys. km/s.
Zespół następnie eksperymentował z dodawaniem kolejnych wykonanych z krzemu „filarów”. Kiedy zbudowali wersję o długości 0,5 mm odkryli, że pozwala im to rozpędzanie elektronów do jeszcze większych prędkości, co zwiększyło przenoszoną energię o 43 proc. Co z tego wynika? Akcelerator jest skalowalny i może być bardziej wydajny przy zachowaniu tak małych rozmiarów, że możliwe jest jego zintegrowanie z chipami. Oprócz tego możliwe jest nawet umieszczenie go bezpośrednio na końcu światłowodu, jak twierdzą naukowcy.
Jak na razie nowe mikro urządzenie daje elektronom jedynie około jednej milionowej części energii, którą zwykle uzyskują w dużo większych akceleratorach. Doktor Hommelhoff twierdzi jednak, że mogą istnieć sposoby na zwiększenie energii każdego pojedynczego elektronu. Jest zdania, że wytworzenie filarów nie z krzemu a z materiału szklanego zwanego topioną krzemionką, który może jest bardziej wytrzymały w zetknięciu z wysoko intensywnym światłem laserowym, może być kluczem do osiągnięcia znacznie większych energii.
Jak podsumowuje badania doktor Hommelhoff:
Uważamy, że w końcu możemy zmniejszyć akceleratory tak, aby zmieściły się czubku szpilki. Wtedy będzie można naprawdę pomyśleć o nowych narzędziach terapeutycznych dla lekarzy lub narzędziach do sterylizacji na małą skalę w laboratoriach biologicznych. Sądzimy, że nawet nie pomyśleliśmy jeszcze o wszystkich możliwych zastosowaniach.
