Στους συμβατικούς επιταχυντές σωματιδίων, φορτισμένα πρωτόνια ή ηλεκτρόνια για παράδειγμα, αυξάνουν την ενέργεια τους επιταχυνόμενα μέσω ηλεκτρικών πεδίων καθώς διαπερνούν ηλεκτρομαγνητικές κοιλότητες (cavities). Εξαιτίας του μεταλλικού (συνήθως χάλκινου) περιβλήματος των κοιλοτήτων, περιορίζεται η ένταση του πεδίου και κατ’ επέκταση η επιτάχυνση των σωματιδίων ανά μέτρο. Επομένως, για να αυξηθεί ακόμη περισσότερο η ενέργειά τους, η μόνη λύση είναι να αυξηθεί το μήκος του πεδίου, πράγμα που δεν είναι και τόσο εύκολο. Γι’ αυτό τον λόγο, δηλαδή για να επιτευχθούν πολύ υψηλές ενέργειες, τα σωματίδια επιταχύνονται μέσα σε κυκλικές σήραγγες μετά από δισεκατομμύρια στροφές, όπως συμβαίνει στον 27 χιλιομέτρων μήκους Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN ή στον μελλοντικό Future Circular Collider (FCC) των 91 χλμ.
Και εδώ προκύπτει το ερώτημα: Υπάρχει άραγε εναλλακτική λύση; Η απάντηση είναι ναι, και ονομάζεται επιτάχυνση σωματιδίων με πλάσμα το οποίο μπορεί να διεγερθεί από μία άλλη δέσμη σωματιδίων ή από λέιζερ, επιτυγχάνοντας πολύ υψηλές ενέργειες μέσα σε λίγα μέτρα επιτάχυνσης.
Εδώ και δεκαετίες οι φυσικοί προσπαθούν να αναπτύξουν έναν επιταχυντή μέσω πεδίου πλάσματος, ο οποίος θα είναι πολύ μικρότερος και φθηνότερος από τις υπάρχουσες μηχανές. Η πρόσφατη τεχνολογική πρόοδος φέρνει τώρα πιο κοντά τους επιταχυντές λέιζερ πλάσματος (Laser plasma accelerators, LPAs) και η συζήτηση για αυτούς ‘ζεσταίνεται’ παγκοσμίως και φυσικά και στην Ευρώπη.
«Το πλάσμα είναι μια ειδική κατάσταση της ύλης (αναφέρεται και ως τέταρτη κατάσταση ύλης) που μπορεί να προκληθεί από τον ιονισμό ενός αερίου, δηλαδή με την εκτόξευση ηλεκτρονίων από τα άτομα ή τα µόρια του αερίου. Η ιδέα των LPAs στηρίζεται στην εκτόξευση μίας δέσμης λέιζερ που διαπερνά τη μάζα πλάσματος που βρίσκεται μέσα στον επιταχυντή, προκαλώντας με αυτό τον τρόπο την ταλάντωση των ηλεκτρονίων και των θετικά φορτισμένων ιόντων. Έτσι, οι περιοχές αρνητικού και θετικού φορτίου που σχηματίζονται δημιουργούν κύματα πολύ υψηλών πεδίων, τα οποία επιταχύνουν τα σωματίδια. Επομένως, αν τα σωματίδια βρεθούν μέσα στον επιταχυντή την κατάλληλη στιγμή, ουσιαστικά «σερφάρουν» πάνω σε αυτά κύματα, αποκτώντας ολοένα και περισσότερη ταχύτητα», εξηγεί στο Dnews ο Δρ Γιάννης Παπαφιλίππου, επικεφαλής Ερευνητικής ομάδας Φυσικής επιταχυντών στο CERN.
Έρευνα δεκαετιών…
Η πρώτη επιτυχημένη επιτάχυνση ηλεκτρονίων χρησιμοποιώντας ένα κύμα μέσα σε πλάσμα που διεγείρεται από πρωτόνια, παρουσιάστηκε το 2018 στο περιοδικό Nature με το πείραμα AWAKE (Advanced WAKEfield Experiment) στο CERN. Στο πείραμα AWAKE θερμάνθηκε ρουβίδιο για να μετατραπεί σε αέριο το οποίο στη συνέχεια ιονίστηκε αρχικά µέσω μιας δέσμης λέιζερ. Μια δέσμη πρωτονίων, που ονομάζεται δέσµη-οδηγός (drive beam), εγχύθηκε μαζί µε τον παλμό λέιζερ και προκάλεσε την ταλάντωση του πλάσματος σε ένα κυματοειδές μοτίβο κατ’ αντιστοιχία µε την κίνηση ενός πλοίου στη θάλασσα που προκαλεί κυματισμό στο πέρασμά του.
«Το AWAKE έλαβε από τον επιταχυντή Super Proton Synchrotron (SPS)-τον τελευταίο επιταχυντή στην αλυσίδα παραγωγής πρωτονίων του LHC στο CERN-τα πρωτόνια-οδηγούς με ενέργεια 400 GeV (δισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ). Μια δέσμη ηλεκτρονίων, που ονομάζεται δέσμη μάρτυρας (witness beam), εγχύθηκε στο ταλαντευόμενο πλάσμα και επιταχύνθηκε µε επιφανειακά κύματα πλάσματος. Στις 26 Μαΐου του 2018, το πείραμα AWAKE επιτάχυνε µε επιτυχία τα ηλεκτρόνια-μάρτυρες για πρώτη φορά. Τα ηλεκτρόνια που εισήχθησαν στο AWAKE µε σχετικά χαμηλή ενέργεια της τάξης των 19 MeV (εκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ), επιταχύνθηκαν μέσω του κύματος πλάσματος κατά 100 φορές περίπου ως την ενέργεια των 2 GeV (δισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ), σε μήκος μόλις 10 μέτρων», περιγράφει ο διακεκριμένος Έλληνας επιστήμονας.
Πιο πρόσφατα, ερευνητές στο Berkeley Lab Laser Accelerator Center, BELLA (Κέντρο Επιταχυντή Λέιζερ του Berkeley Lab), επιτάχυναν με διέγερση πλάσματος μέσω διπλών λέιζερ μια υψηλής ποιότητας δέσμη ηλεκτρονίων στα 10 GeV σε μόλις 30 εκατοστά, όπως ανέφεραν τον περασμένο Δεκέμβριο στο Physical Review Letters. Αυτή είναι περισσότερη από τη διπλάσια ενέργεια που επιτυγχάνεται από έναν νέο γραμμικό επιταχυντή μήκους 1 χιλιομέτρου, αξίας 1,1 δισεκατομμυρίων δολαρίων (LINAC) στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC των ΗΠΑ. Η έρευνα πραγματοποιήθηκε στο ίδιο εργαστήριο όπου το 2019 είχε σημειωθεί παγκόσμιο ρεκόρ επιτάχυνσης ηλεκτρονίων 8-GeV σε 20 εκατοστά. Το νέο πείραμα όχι μόνο αύξησε την ενέργεια της δέσμης, αλλά και παρήγε για πρώτη φορά μια υψηλής ποιότητας δέσμη σε αυτό το ενεργειακό επίπεδο, ανοίγοντας τον δρόμο για μελλοντικές μηχανές υψηλής απόδοσης.
Γενικά, τα πειράματα δείχνουν ότι η επιτάχυνση πλάσματος μπορεί να δημιουργήσει δεκάδες δισεκατομμύρια eV/m και επομένως να παραγάγει ένα ηλεκτρικό πεδίο έως και 1000 φορές υψηλότερο από μία συμβατική κοιλότητα σε επιταχυντή, στον οποίο άλλα ηλεκτρόνια μπορούν να φτάσουν σε εκπληκτικές ενέργειες.
Ωστόσο, οι επιταχυντές λέιζερ πλάσματος (LPAs) δεν μπορούν ακόμη να αποδώσουν τις εξαιρετικά «πυκνές» ή «λαμπρές» δέσμες (πολλά σωματίδια σε μικρό χώρο) με τον ρυθμό επανάληψης που θέλουν οι φυσικοί των στοιχειωδών σωματιδίων, αλλά αυτές οι πολύ φθηνότερες μηχανές θα μπορούσαν να βρουν θέσεις σε εφαρμογές όπου η «λαμπρότητα» της δέσμης δεν είναι τόσο κρίσιμη.
«Ένα από τα προβλήματά τους για παράδειγμα, είναι ότι ο παλμός λέιζερ αποκλίνει γρήγορα, περιορίζοντας τις μέγιστες ενέργειες των ηλεκτρονίων. Επιπλέον, τα λέιζερ petawatt που οδηγούν τους επιταχυντές λέιζερ πλάσματος (LPAs) προς το παρόν μπορούν να πυροδοτηθούν μόνο μία φορά το δευτερόλεπτο περίπου και οι παλμοί μπορεί να ποικίλλουν ευρέως», αναφέρει ο Δρ. Παπαφιλίππου.
Παραγωγή δέσμης λέιζερ ακτίνων Χ…
Ωστόσο, υπάρχουν ακόμη πολλά περιθώρια βελτίωσης σε κάθε επίπεδο. Τώρα οι επιστήμονες σκέφτονται τη χρήση ενός LPA για την τροφοδοσία ενός λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων (FEL), μιας μηχανής που παράγει ισχυρές ακτίνες Χ εκτοξεύοντας μια προσεκτικά συντονισμένη δέσμη ηλεκτρονίων μέσω ενός μαγνήτη, κάνοντας ένα είδος σλάλομ από τη μία άκρη στην άλλη. Τα εκτρεπόμενα ηλεκτρόνια εκπέμπουν φως που, σε έναν βρόχο ανάδρασης, χωρίζονται σε μικροσκοπικές δέσμες οι οποίες ακτινοβολούν σε συντονισμό. Το αποτέλεσμα είναι η παραγωγή μιας δέσμης λέιζερ ακτίνων Χ, ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη μορίων και υλικών.
Ο νέος γίγαντας LINAC (ο πρώτος γραμμικός επιταχυντής με λέιζερ ακτίνων Χ) του SLAC τροφοδοτεί ένα λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων (FEL), αλλά οι φυσικοί θα μπορούσαν να κάνουν τέτοιες μηχανές πολύ μικρότερες και φθηνότερες αντικαθιστώντας τον με έναν LPA. Το Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC, που αρχικά ονομάστηκε Stanford Linear Accelerator Center, είναι ένα κέντρο έρευνας και ανάπτυξης στο Menlo Park στην Καλιφόρνια που χρηματοδοτείται από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ και διοικείται από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. Εκεί βρίσκεται τοποθετημένος ο Γραμμικός Επιταχυντής του Στάνφορντ, μήκους 3,2 χιλιομέτρων (2 μιλίων) που κατασκευάστηκε το 1966 και που θα μπορούσε να επιταχύνει ηλεκτρόνια σε ενέργειες 50 GeV.
Υπάρχει ένας παγκόσμιος αγώνας για να γίνει αυτό ακριβώς. Το 2021, φυσικοί στο Ινστιτούτο Οπτικής και Καλής Μηχανικής της Σαγκάης χρησιμοποίησαν έναν LPA για να οδηγήσουν ένα FEL που λάμπει σε υπεριώδη μήκη κύματος, αλλά εκείνος παρήγε φως λέιζερ μόνο στο 10% των λήψεών του. Πέρυσι, η ομάδα του Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) αύξησε αυτό το ποσοστό στο 90% με το LPA της. Ωστόσο, για να φτάσουν σε χρήσιμα μήκη κύματος ακτίνων Χ, θα χρειαστούν ηλεκτρόνια υψηλότερης ενέργειας, κάτι που πιθανότατα θα απαιτήσει τεχνικές όπως αυτές που συνδυάζονται στο νέο αποτέλεσμα από το LBNL.
Η Ευρώπη ποντάρει επίσης πολλά στους επιταχυντές λέιζερ πλάσματος. Στο πλαίσιο μιας προσπάθειας που ονομάζεται European Plasma Research Accelerator with Excellence in Applications (EuPRAXIA) θα αναπτύξει την ιδέα και τον σχεδιασμό μιας μελλοντικής ευρωπαϊκής ερευνητικής υποδομής που βασίζεται σε αυτή τη νέα τεχνολογία και που θα χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη εφαρμογών σε διάφορους τομείς.
Οι αξιωματούχοι της Ευρώπης θα επιλέξουν την τοποθεσία για μια εγκατάσταση κόστους εκατοντάδων εκατομμυρίων ευρώ που θα αναπτύξει λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων (FEL), τα οποία θα τροφοδοτούνται από επιταχυντές λέιζερ πλάσματος (LPAs). Η εγκατάσταση στοχεύει να εξυπηρετήσει ερευνητές και να επιταχύνει την ανάπτυξη των LPAs, με στόχο να κατασκευαστεί ένας πραγματικός επιταχυντής που θα λειτουργεί όλη μέρα και κάθε μέρα του χρόνου με βάση την πρωτοποριακή αυτή τεχνολογία.
Οι επιταχυντές λέιζερ πλάσματος (LPAs) ενδέχεται επίσης να λειτουργούν και σε συνεργασία με άλλους επιταχυντές. Για παράδειγμα, ο PETRA-III, ένας επιταχυντής σε σχήμα δακτυλίου στο γερμανικό εργαστήριο DESY, κυκλοφορεί ηλεκτρόνια 6-GeV για να παραγάγει ακτίνες Χ. Επί του παρόντος, τα ηλεκτρόνια φτάνουν σε αυτήν την ενέργεια περνώντας πρώτα από έναν γραμμικό επιταχυντή (LINAC) και από δύο μικρότερους δακτυλίους. Για να συμπληρώσουν ή να αντικαταστήσουν όλα αυτά, οι φυσικοί επιταχυντών πλάσματος στο DESY ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν έναν μόνο LPA όταν η εγκατάσταση αναβαθμιστεί το 2030, χρησιμοποιώντας τις τεχνικές που έχει υποδείξει η ομάδα του Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL).
Μερικοί φυσικοί βλέπουν στους επιταχυντές λέιζερ πλάσματος (LPAs) και μια επιχειρηματική ευκαιρία. Μια εταιρεία που ονομάζεται TAU Systems την οποία ίδρυσε ο Björn Manuel Hegelich από το Max Planck Institute for Quantum Optics στη Γερμανία, ολοκληρώνει τώρα μια εγκατάσταση LPA στο Carlsbad της Καλιφόρνια, για να εξυπηρετήσει πιθανούς πελάτες. Προς το παρόν, η εγκατάσταση θα χρησιμεύσει και ως εκθεσιακός χώρος, όπου θα μπορεί να τον επισκεφθεί κάποιος πελάτης να δει το μηχάνημα και να παραγγείλει ένα ίδιο εάν το επιθυμεί.
Images: © CERN/ Maximilien Brice
