Partikelacceleration tager et spring fremad

For fysikere, der ønsker at studere de subatomære partikler, der er universets grundlæggende byggesten og lære om, hvordan de interagerer, en partikelaccelerator - en massiv enhed, der fremskynder og giver partikler energi og får dem til at kollidere - er et virkelig vigtigt værktøj. Forestil dig en accelerator som et mikroskop på størrelse med et bjerg, i stand til at studere de mindste ting, der findes.

"Acceleratorer er de ultimative mikroskoper, "Mark J. Hogan, en fysiker ved SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Californien, forklarer i en e -mail. "Deres opløsningsevne er proportional med energien fra partikelstrålerne. Nuværende maskiner, der opererer ved energigrænsen, er monumenter for menneskelig teknik. Disse maskiner er i snesevis af kilometer, men styrer deres stråler til brøkdele af et menneskeligt hårs diameter. "

Det er derfor med en accelerator, større har altid været bedre. Hvis du selv er en afslappet videnskabsmand, du har sikkert hørt om den store fars accelerator af dem alle, Large Hadron Collider (LHC) på CERN, Europas partikelfysiklaboratorium nær Genève, Schweiz. Måske den mest komplekse maskine, der nogensinde er skabt, LHC har en massiv, 17-mile (27,35 kilometer) spor, som den bruger til at accelerere partikler. Forskere brugte LHC i 2012 til at observere Higgs Boson, en partikel, der hjælper med at forklare, hvorfor andre partikler har masse, og hvorfor tingene holder sammen.

Mindre og billigere

Et problem med virkelig store partikelacceleratorer, selvom, er, at de er utroligt dyre og forbruger enorme mængder elektricitet. LHC, for eksempel, kostede 4,1 milliarder dollar bare at bygge. Så hvad fysikere virkelig ville elske at have, er en måde at få arbejdet udført på, der ikke er så stort og dyrt.

Derfor har der været så meget spænding om nyheden om, at CERN-forskere med succes har testet en ny måde at accelerere elektroner til høje energier gennem protondrevet plasma-wakefield-acceleration. Metoden indebærer at bruge intense klumper af protoner til at generere bølger i plasma, en suppe af ioniserede atomer. Elektronerne kører derefter på bølgerne for at accelerere, som om de var surfere i subatomær skala.

I en testkørsel med Advanced Wakefield Experiment (AWAKE) i maj, CERN -forskere formåede at bruge metoden til at accelerere elektroner til energier på 2 gigaelektronvolt (GeV) over en afstand på 10 meter (32,8 fod).

Her er en video, hvor Edda Gschwendtner, CERN AWAKEs projektleder, forklarer begrebet acceleratorer, og hvorfor en proteindrevet plasma-wakefield-accelerator er et så stort gennembrud:

Andre forskere hyldede CERN -præstationen. "Denne teknik kunne lade faciliteterne på CERN have en ny kompakt måde at producere elektroner med høj energi, der kunne kollideres med faste mål eller protonstråler for at lave et nyt værktøj til partikelfysikere til at forstå grundlæggende partikler og de kræfter, der styrer deres interaktioner, "Siger Hogan.

"Dette resultat er vigtigt for fremtiden for højenergifysik, idet det kan åbne en vej til en kompakt 1 TeV -elektronaccelerator baseret på plasma -wakefield -acceleration, "forklarer James Rosenzweig, professor i accelerator og stråledynamik ved UCLA, og direktør for universitetets Particle Beam Physics Lab. "Ud fra synspunktet om at indføre fysiske principper, dette eksperiment er det første - det introducerer plasmawakefelter, der er begejstrede af protonstråler.

"Den vigtigste fordel i plasmaacceleratorer findes i de store accelererende elektriske felter, der kan understøttes - op til 1, 000 gange større end i konventionelle acceleratorer. Anvendelsen af ​​protoner tillader i princippet stråler med meget større tilgængelig totalenergi til acceleration, "Rosenzweig siger via e -mail.

Hogans team på SLAC har udviklet en anden plasma wakefield -accelerationsmetode, som er afhængig af bundter af elektroner indsat i plasmaet for at skabe bølger, som andre elektroner kan køre på. Men uanset hvilken metode der bruges, plasma tilbyder en måde at komme forbi begrænsningerne ved konventionelle acceleratorer.

"Med al deres præcision og succes, selvom, disse maskiner nærmer sig grænserne for størrelse og omkostninger, som samfundet har råd til, "Siger Hogan." For maskiner, der fremskynder elektroner, størrelsen er relateret til den maksimale hastighed, som vi kan tilføre energi til partiklerne. Ved hjælp af konventionelle teknologier med metalstrukturer, vi kan ikke øge denne hastighed yderligere, da felterne bliver så store, at materialerne nedbrydes under ekstreme kræfter. Et plasma, en ioniseret gas, er allerede nedbrudt og kan understøtte meget større felter, og når det manipuleres korrekt, kan tilføre energi til partikelstråler med en meget større hastighed og dermed i princippet komme til energigrænsen i et mindre fodaftryk.

"Mange grupper har vist, at vi kan bruge plasmaer til at lave energiske bundter af elektroner, "siger Hogan." Meget af den næste generation af forskning er rettet mod at demonstrere, at vi kan gøre dette og samtidig lave bjælker med kvalitet og stabilitet, der svarer til konventionelle teknologier. Andre forskningsspørgsmål tænker på, hvordan man kobler mange på hinanden følgende plasmaceller sammen for at nå meget høje energier. Yderligere udfordringer er at forstå, hvordan man fremskynder positroner, antimateriale svarende til elektroner i et plasma. Ser frem til, mange grupper, herunder mine kolleger på SLAC håber at udvikle bjælker med høj energi med overlegne kvaliteter, der vil åbne døren for nye videnskabelige instrumenter i det næste årti og fremover. "

En AWAKE -talsmand fortalte Science magazine, at forskerne håber at udvikle teknologien i løbet af de næste fem år, til det punkt, hvor det kunne bruges til forskning i partikelfysik.

Som den Europæiske Unions Horizon -blad detaljerer, forskere har også forestillet sig at bygge en konventionel partikelaccelerator, der er tre gange så stor som LHC. Enheden ville have evnen til at smadre partikler sammen ved at give dem energi med de tilsvarende 10 millioner lynnedslag.