Ένας επιταχυντής δεν έχει αναγκαστικά γιγαντιαίες διαστάσεις

Πηγή: New Scientist 23 Φεβρουαρίου 2007

Ένας επιταχυντής ηλεκτρονίων δεν χρειάζεται να έχει αναγκαστικά μήκος χιλιομέτρων. Με μήκος ενός μόνο μέτρου μπορούμε να πετύχουμε ίδιες περίπου ενέργειες με αυτές που πετυχαίνουμε με ένα συμβατικό επιταχυντή μήκους τριών χιλιομέτρων. Επιπλέον, ο μικροσκοπικός αυτός επιταχυντής έχει μια απλή κατασκευή. Αποτελείται δηλαδή από ένα μεταλλικό σωλήνα γεμάτο με αέριο. Ο επιταχυντής αυτός επιταχύνει τα ηλεκτρόνια με τη βοήθεια πλάσματος.

Οι φυσικοί χρησιμοποιούν τους επιταχυντές για να πετυχαίνουν συγκρούσεις σωματιδίων με πολύ μεγάλες ταχύτητες. Στα προϊόντα της σύγκρουσης, μπορεί να βρεθούν νέα εξωτικά σωματίδια και να εκδηλωθούν νέα φαινόμενα. Οι συμβατικοί όμως επιταχυντές κάνουν χρήση κοιλοτήτων με υψηλό κενό, εντός των οποίων χρησιμοποιούνται ηλεκτρομαγνητικά πεδία για να επιταχύνουν τα σωματίδια. Για να επιτύχουν δε πολύ μεγάλες ταχύτητες των σωματιδίων χρειάζεται να έχουν μήκος αρκετών χιλιομέτρων. Η κατασκευή τους κοστίζει δε δισεκατομμύρια δολαρίων.

Τώρα ο Mark Hogan που εργάζεται στον γραμμικό επιταχυντή του Stanford (SLAC), ανέπτυξε μια εναλλακτική λύση. Μαζί με συνεργάτες του του SLAC και του πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Los Angeles, δημιούργησε μια πολύ μικρότερη συσκευή που χρησιμοποιεί την ενέργεια πλάσματος.

Παίρνοντας μια δέσμη σωματιδίων από ένα συμβατικό επιταχυντή με ενέργεια 42 GeV κατάφερε να διπλασιάσει την ενέργεια των σωματιδίων στα 84 GeV με τη χρήση του νέου επιταχυντή.

Σε σχετικά πειράματα που έγιναν στο SLAC, ο γραμμικός επιταχυντής που ήδη υπάρχει εκεί διοχέτευσε τρισεκατομμύρια ηλεκτρονίων στην είσοδο ενός μεταλλικού σωλήνα γεμισμένου με αέριο λίθιο. Όταν η δέσμη των ηλεκτρονίων συγκρούεται με τα άτομα του αερίου, παράγει πλάσμα, δηλαδή διώχνει ηλεκτρόνια από τα άτομα.  Αν τώρα επικρατεί μικρή πίεση στο χώρο και η πυκνότητα της δέσμης των ηλεκτρονίων είναι πολύ μεγαλύτερη από την πυκνότητα του πλάσματος που δημιουργείται, το μέτωπο της δέσμης παραμερίζει στο διάβα της όλα τα ηλεκτρόνια του πλάσματος που δημιουργήθηκαν και αφήνει στην περιοχή, μόνο τα ιόντα που είναι πολύ βαρύτερα. Τα ηλεκτρόνια δηλαδή που έφυγαν από τα άτομα, παρασέρνονται ουσιαστικά από τη δέσμη.

Η ομοιόμορφη στήλη των θετικών ιόντων, προβάλλει κάποια αντίσταση στα περισσότερα ηλεκτρόνια της δέσμης, ασκεί όμως και μια δύναμη προς τα εμπρός σε μερικά από αυτά σα να προσπαθεί να τα εστιάσει προς τα εμπρός.

Τα ηλεκτρόνια του πλάσματος που προσωρινά παραμερίστηκαν, επιστρέφουν πίσω μετά από μια περίοδο ταλάντωσης του πλάσματος. Αυτή η επανάληψη περιοχών με συμπύκνωση και αραίωση των ηλεκτρονίων του πλάσματος δημιουργεί το ηλεκτρικό πεδίο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να επιταχύνει μερικά από τα σωματίδια της δέσμης.

Το 2005 οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια παρόμοια μέθοδο για να επιταχύνουν ηλεκτρόνια αυξάνοντάς τους την ενέργεια περίπου κατά 10%. Αυτή η αύξηση ενέργειας αρκετών GeV αποτέλεσε ρεκόρ επιτάχυνσης σε τόσο μικρή απόσταση. Τα τωρινά πειράματα κατέρριψαν εκείνο το ρεκόρ, ενώ η συσκευή απόκτησε μήκος μόλις ενός μέτρου.

Πρέπει να ληφθεί υπ όψιν ότι στα πειράματα ως τώρα δεν κατέστη δυνατό να περάσει η δέσμη των ηλεκτρονίων πολλές φορές μέσα από όμοιες συσκευές, ώστε να επιταχυνθεί πολύ περισσότερο. Κάτι τέτοιο συγκαταλέγεται στους μελλοντικούς στόχους των πειραματικών. Ότι κέρδος ενέργειας πέτυχαν ως τώρα οφείλεται σε ένα μόνο πέρασμα μέσα από τον επιταχυντή πλάσματος.

Ένα άλλο φυσικό μειονέκτημα όλων των επιταχυντών πλάσματος είναι ότι η εισερχόμενη δέσμη ηλεκτρονίων χάνει μέσα στο πλάσμα μεγάλο μέρος από την έντασή της. Περίπου μόνο το 1% των ηλεκτρονίων της δέσμης φτάνει στο μέγιστο της κινητικής ενέργειας.