Podczas gdy najpotężniejsze akceleratory, takie jak LHC, mają średnicę 27 kilometrów, nowy projekt jest milion razy mniejszy: ma szerokość ludzkiego włosa.
Akceleratory cząstek stały się jednymi z najważniejszych konstrukcji naukowych w historii. W naukach ścisłych pomagają nam one zrozumieć podstawowe składniki wszechświata poprzez zderzanie cząstek w celu zbadania wyników, odtworzenia warunków panujących we wczesnym wszechświecie i zbadania struktury materii. W praktycznych zastosowaniach mają one kluczowe znaczenie dla medycyny (np. terapia nowotworów i sterylizacja sprzętu medycznego), przemysłu (np. napromieniowanie żywności i materiałoznawstwo) oraz technologii (np. skanery bezpieczeństwa i elektronika kosmiczna).
Problem? Akceleratory są zazwyczaj ogromne i bardzo kosztowne. Weźmy na przykład Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w CERN, z jego 27 kilometrami tuneli magnetycznych. Co by się stało, gdybyśmy zdołali zmniejszyć rozmiar (fizyczny i kosztowny) akceleratorów tysiące lub miliony razy?
Niedawne badania proponują rewolucyjny projekt: akcelerator cząstek tak kompaktowy, że zmieściłby się na stole, zdolny do generowania bardzo intensywnych promieni rentgenowskich, o architekturze całkowicie odmiennej od tradycyjnych akceleratorów. Pomysł ten, wciąż w fazie symulacji, został opublikowany w Physical Review Letters.
Konwencjonalne akceleratory cząstek są zazwyczaj ogromne.
Jednak nowa koncepcja wykorzystuje miniaturowe struktury, nanorurki węglowe, w połączeniu z laserem spolaryzowanym, aby wytworzyć bardzo silne pola elektryczne i przyspieszyć elektrony w ich wnętrzu. Kluczem są powierzchowne fale plazmoniczne: laser „obraca się” wewnątrz nanorurki i zmusza elektrony do poruszania się po spirali, co powoduje spójne promieniowanie rentgenowskie o bardzo wysokiej intensywności, nawet sto razy większej niż w przypadku konwencjonalnych akceleratorów o podobnej wielkości.
To „kieszonkowe” urządzenie może zrewolucjonizować takie dziedziny jak medycyna, materiałoznawstwo i biologia. Obecnie intensywne promieniowanie rentgenowskie można uzyskać tylko w gigantycznych laboratoriach (synchrotronach lub laserach na swobodnych elektronach), do których wielu badaczy nie ma łatwego dostępu.
Dzięki kompaktowemu akceleratorowi szpitale lub uniwersytety mogłyby mieć własne źródło silnego promieniowania rentgenowskiego, co pozwoliłoby uzyskać dokładniejsze obrazy medyczne bez konieczności stosowania środków kontrastowych, badać białka i leki bezpośrednio w laboratoriach badawczych, przyspieszając rozwój nowych metod leczenia, oraz analizować delikatne materiały i komponenty półprzewodnikowe bez ich uszkadzania, a nawet przeprowadzać nieniszczące testy na miejscu.
Na razie projekt został zweryfikowany jedynie w symulacjach komputerowych opartych na rzeczywistych strukturach nanorurek i laserów, które już istnieją w laboratorium. Autorzy badania, w tym Javier Resta-López z Uniwersytetu w Walencji, wykazali, że można generować pola o natężeniu kilku terawoltów na metr, co jest wartością znacznie większą niż ta, którą mogą wytrzymać wiele obecnych akceleratorów. Kolejnym krokiem będzie eksperymentalna walidacja tej koncepcji poprzez zbudowanie rzeczywistych prototypów i wykazanie, że działa ona poza środowiskiem symulacyjnym.
W przeciwieństwie do tradycyjnych akceleratorów kompaktowych, ta nowa koncepcja nie ma na celu konkurowania z gigantami, takimi jak Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), którego 27 kilometrów obwodu plasuje go w zupełnie innej lidze. Jego logicznym odpowiednikiem są nowoczesne synchrotrony, maszyny, które obecnie generują wiązki elektronów wykorzystywane w fizyce, chemii, medycynie i materiałoznawstwie.
A te synchrotrony są ogromne:
Francuski ESRF ma 844 metry obwodu, brytyjski Diamond Light Source 561 metrów, amerykański APS ponad 1100 metrów, a japoński kolos SPring-8 osiąga 1436 metrów. Są to obiekty wielkości dwóch, trzech, a nawet czterech pełnych boisk piłkarskich. W obliczu takiego rozmachu akcelerator zdolny do oferowania porównywalnych osiągów w skali „biurkowej” oznaczałby prawdziwą rewolucję naukową i technologiczną.
Jeśli ten akcelerator uda się zrealizować, mógłby zdemokratyzować dostęp do zaawansowanych źródeł promieniowania rentgenowskiego, dotychczas ograniczonego do dużych ośrodków. Nie tylko przyspieszyłoby to badania naukowe, ale także mogłoby przybliżyć najnowocześniejsze technologie mniejszym laboratoriom, szpitalom i uniwersytetom. Wielkie marzenie: udostępnienie narzędzi fizyki granicznej znacznie większej liczbie osób.
Krótko mówiąc, ten „akcelerator stołowy” to odważny i przełomowy pomysł: ta sama fizyka, która napędza gigantyczne zderzacze, może w przyszłości zmieścić się na chipie.
