Laserový vrták pokořil rekord plazmových urychlovačů částic  
Plazmové urychlovače jsou oproti tradičním zařízením extrémně malé, levné a praktické. Tým centra LBNL BELLA s plazmovým urychlovačem, v němž laserové pulzy "vrtají" do plazmatu, dostal elektrony na rekordní energii 7,8 GeV. Vysněná hranice 10 GeV, za kterou začínají praktické aplikace stolních urychlovačů částic, už je nadohled.
9-centimetrová safírová kapilára z předchozího rekordu plazmových urychlovačů. Kredit: Berkeley Lab.
9-centimetrová safírová kapilára z předchozího rekordu plazmových urychlovačů. Kredit: Berkeley Lab.

Velký hadronový srážeč v CERNu je sice boží a stále zůstává největší na nejdražší vědeckou mašinou na povrchu zemském, v současnosti se ale stále více mluví o malých, kapesních až miniaturních urychlovačích částic, které sázejí na šikovnou technologii a nepatrné rozměry.


Fyzici amerických laboratoří Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) z centra Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center nedávno použili novou technologii urychlování částic s laserovým vrtákem (laser drill) a dosáhli s ním nového rekordu v energii částic na plazmových urychlovačích. V trubici s plazmatem, tedy plynem, jehož atomy byly „oholeny“ o elektrony, o délce pouhých 20 centimetrů, urychlili elektrony na energii 7,8 miliard elektronvoltů, čili 7,8 GeV. Soudobé tradiční urychlovače přitom na něco takového potřebují stovky metrů konstrukce.

 

Safírová kapilára pro světový rekord plazmových urychlovačů. Kredit DESY.
Safírová kapilára pro světový rekord plazmových urychlovačů. Kredit DESY.

Wim Leemans a jeho spolupracovníci směřují k hranici energie urychlených částic 10 GeV. Pro plazmové urychlovače to bude významný milník. Za touto hranicí se již otevírají dveře laboratoře a cesty k prvním praktickým aplikacím. Urychlovače částic jsou překvapivě užitečnými nástroji v celé řadě odvětví, od vědeckého výzkumu, přes průmysl, až po medicínu. Konvenční urychlovače pohánějí elektricky nabité částice pomocí radiofrekvenčních rezonátorů. Tato technologie je dnes velmi vyladěná a urychluje částice vážně skvěle. Vyžaduje ale nesmírnou spoustu energie, peněz a také prostoru.

 

Wim Leemans. Kredit: Berkely Lab.
Wim Leemans. Kredit: Berkely Lab.

Plazmové urychlovače jsou úplně jiné. Vysokoenergetický laser vzedme v plazmatu vlny, jako kdyby tam proletěl extrémně rychlý člun. V těchto vlnách brázdového pole jsou pak urychlovány částice mnohem silněji, než v těch nejlepších tradičních urychlovačích. Ještě zbývá vyřešit mnoho technických úskalí, ale plazmové urychlovače by měly být dramaticky menší i levnější, než ty stávající, čímž najdou mnoho nových využití.

 

Čím silnější je úvodní laserový pulz, tím více dotyčný plazmový urychlovač urychluje. Tým experimentu BELLA vypálil extrémně intenzivní a krátké pulzy infračerveného laserového paprsku, z nichž každý dosáhl maximálně cca 850 terawattů a trval 35 femtosekund, do trubice či spíše kapiláry ze safíru o průměru 0,8 milimetru, která byla naplněná vodíkem. Na vrcholu každého pulzu to bylo, jako kdyby někdo na pár femtosekund rozsvítil 8,5 bilionu 100-wattových žárovek. Pro vytvoření optimálního tunelu v plazmatu, který poté navádí laserový pulz samotného urychlování částic, badatelé použili unikátní technologii s 8-nanosekundovým laserovým pulzem, jenž prorazí plazma jako laserový vrták.


Leemans věří, že se díky optimalizaci a vyladění celého procesu nakonec dostanou na vysněnou energii urychlených částic 10 GeV, a také za tuto magickou hranici. Je fakt, že plazmové urychlovače nemohou urychlit tak velké množství částic jako konvenční urychlovače, ale zase by měly přinést celou řadu podivuhodných aplikací, které umožní jejich nepatrná velikost – jako třeba stolní rentgenové lasery. Podle Leemanse už je rozhodně čas přenést plazmové urychlování částic z laboratoří do světa venku.

Video:  Building a Tabletop Accelerator


Literatura
Berkeley Lab 25. 2. 2019, Physical Review Letters 122: 084801.

Datum: 02.03.2019
Tisk článku

Feynmanovy přednášky z fyziky - revidované vydání - 2.díl - Sands Matthew, Feynman Richard, Leighton Robert B.
 
 
cena původní: 499 Kč
cena: 444 Kč
Feynmanovy přednášky z fyziky - revidované vydání - 2.díl
Sands Matthew, Feynman Richard, Leighton Robert B.
Související články:

Skládáním laserů můžeme zmenšit urychlovače z kilometrů na metry     Autor: Stanislav Mihulka (30.05.2014)
Objeví se urychlovače částic poháněné laserovými implozemi nanopulzarů?     Autor: Stanislav Mihulka (25.05.2018)
Mini antihmotové urychlovače otevřou dveře poznání záhad částic     Autor: Stanislav Mihulka (13.08.2018)
Miniaturní urychlovače přicházejí: AWAKE urychlil první elektrony!     Autor: Stanislav Mihulka (31.08.2018)



Diskuze:

Naštěstí se podřadný vodík tentokrát nepodařilo termonukleárně spálit.

Josef Hrncirik,2019-03-03 20:18:43

10.1103/physrev.lett.122.084801 přiznává, že přestože budící laser prohnal 31 J na pouhých 13 vlnách světelného záblesku ze staré BELLY, pouhých 1,3% energie bylo vyzářeno jako vlnou urychlené e- nad 6 GeV.
Zbylé elektrony plasma měly cca 5 eV (teplotu 40 kK) a očesané H atomy asi zůstaly ledově klidné a na fúzi ani nestačily pomyslet.
Pokud v kapiláře 0,9 mm x 20 cm byl atm. tlak H2, úplná transmutace na He se měla projevit jako cca exploze 3 kg TNT.

Odpovědět


Re: Naštěstí se podřadný vodík tentokrát nepodařilo termonukleárně spálit.

Vojtěch Horný,2019-03-03 23:37:12

Vážený pane kolego,
dovolte mi Vás upozornit na to, že jaderná fúze není uvažovanou aplikací elektronových svazků urychlených na plazmové vlně řízené ultrakrátkým (desítky fs) laserovým impulzem. Aplikací těchto svazků jsou zejména nové zdroje rentgenového světla (nekoherentní betatronové záření a Thomsonův zpětný rozptyl a v budoucnosti snad i koherentní laser na volných elektronech) či případně částicová fyzika. Interpretace, že článek z Berkeley něco „přiznává“, proto na mě působí poněkud úsměvně.
Pro zajímavost ještě uvedu, že zavedení takzvaného zahřívacího laseru (laser heating) o délce impulzu ve stovkách nanosekund bylo hlavní myšlenkou diskutovaného článku. Umožnilo totiž lépe vytvarovat tzv. plazmový kanál, který umožňuje propagaci laserového svazku plazmatem po delší dobu a tímto urychlení elektronů na rekordní energie.
Vaše domněnky o stavu protonů jsou správné.
S úctou,
VH

Odpovědět

Jasný rozkaz však zněl: Naplňte kapiláru stechiometrickou směsí D + T !!

Josef Hrncirik,2019-03-02 07:02:17

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace