VÅGEN eksperiment ved CERN i Geneve, Schweiz.Foto: CERN
Partikelfysik eksperimenter er enorme—de er nødt til at være, for at accelerere partikler med nok energi til korrekt at studere dem. Large Hadron Collider i Schweiz er næsten 17 km rundt, mens andre er tættere på den 2-km interval. Men forskerne arbejder på et nyt eksperiment rapporterede onsdag, at de har accelererede elektroner til høje energier på blot 33 fødder.
Den Avancerede Proton Drevet Plasma-Wakefield Acceleration Eksperiment (VÅGEN) ved CERN i Genève, er en prototype til en ny slags maskine, der kan accelerere elektroner i løbet af en brøkdel af den afstand, der er nødvendige ved andre acceleratorer. VÅGEN stadig afhængig af protoner skabt i CERN ‘ s large ringe, men “wakefield” acceleratorer, som disse kan blive en game-skiftende teknologi for fremtiden for partikel fysik.
“Hvad jeg synes er spændende om wakefield acceleration er mulighed for at udvikle sig til en fremtid, hvor acceleratorer vil blive meget kortere, med langt lavere omkostninger,” Matt Fløj, professor i fysik ved University College London i det Forenede Kongerige, fortalte Gizmodo.
Typisk, partikelfysik eksperimenter brug oscillerende elektriske felter, kaldet radiofrekvens hulrum, og høj-drevne magneter til at accelerere partikler til høje energier. Men disse eksperimenter skal vokse ganske stor, hvis forskerne håber, at producere den højeste energi partikler.
En lovende kandidat til at accelerere partikler mere effektivt er det wakefield accelerator. Fysikere er med til at sende en stråle af enten elektroner, protoner, eller en laser gennem et plasma. Frie elektroner i plasma bevæge sig mod den stråle, men overskridelse af det, så kom væltende tilbage, at skabe en boble struktur bag bjælken og intense elektriske felter. Hvis du injicerer partikler, som flere elektroner, i kølvandet, kan det accelerere den tilførte partikler i en kortere tid med et elektrisk felt 10 eller flere gange stærkere.
Fløj og hans kolleger meddelte, at for første gang, ved hjælp af en stråle af protoner fra CERN ‘ s 4.3 km-round Super Proton Synchrotron (SPS), de var i stand til at skabe en stråle af elektroner med 2 giga-electron volt (GeV) af energi på bare 10 meter, eller 33 fødder, af plasma, i henhold til det papir, offentliggjort i Nature. Og de tror, at de kan skalere op enheden til at lave en stærk accelerator en brøkdel af hvad der i dag elektron-acceleratorer.
“Vi kunne potentielt få en elektronstråle til at tera-elektron volt skala over en relativt kort afstand—hvilket er næsten umuligt, med [andre] acceleratorer,” sagde Fløj. Der er tusind gange mere energi end VÅGEN elektroner har i øjeblikket.
For reference, en elektron volt er, hvor meget energi en elektron gevinster ved at bevæge sig på tværs af et enkelt volt elektrisk potentiale. Et billedrør i et gammelt tv kan accelerere elektroner til 20.000 elektron volt, eller 20 keV. To høj-drevne elektron-acceleratorer i USA kan accelerere elektroner til 6 millioner og 50 millioner electron volt (6 til 50 GeV), men er omkring en kilometer lang eller mere. VÅGEN var i stand til at accelerere elektroner til 2 GeV på blot 33 fod af plasma. Ifølge Wing ‘ s simuleringer, VÅGEN, måske snart være i stand til at accelerere elektroner til 50 GeV i 245 fødder af plasma.
Mens plasma-felt er kun 33 meter lang, det kræver stadig en 4,3-mile-runde SPS accelerator skabe proton – beam. Men forskerne behøver ikke at bruge protoner til at accelerere elektroner. De kan også bruge laser pulser, og fysikere har brugt bygningen-størrelse Berkeley Lab Laser Accelerator til at skabe GeV-energi elektroner med laser pulser.
CERN måske en dag blive i stand til at opbygge en rimelig størrelse, men utrolig stærk elektron accelerator drevet af protonstråler fra enten LHC eller SPS. Elektroner, der bliver mindre og enklere end protoner, at gøre en nyttig probe for at lære mere om komplekse strukturer som atomkerner.
Mark Hogan, en fysiker, der arbejder på speederen videnskab på SLAC National Accelerator Laboratory i Californien, der ikke deltager i undersøgelsen, har udtrykt begejstring over de nye resultater. Dette var trods alt den første vellykkede wakefield acceleration ved hjælp af protoner for at skabe varme. Men han forklarede, at der er meget mere arbejde for VÅGEN i horisonten, herunder at øge energi og antallet af accelererede elektroner og fokusere elektronstråler. Han nævnte også, at dette ikke ville erstatte lineære colliders som planlagt International Linear Collider, men ville være en gratis teknologi.
Fem til 10 år fra nu, sagde Hogan, kan vi begynde at se de første fysik eksperimenter bygger på wakefield teknologi, måske slingrende den accelererede elektroner til at producere høj-drevne laserstråler, der ville være nyttige for biologiske eller fysik undersøgelser.
CERN vil snart lukke ned for et par år til en opgradering, så VÅGEN at opgradere så godt. Wing har høiere mål. “Jeg tror, at vi snart kan opnå den højeste energi elektron stråle rundt.”
[Naturen]