Ученые из Стэнфордского университета и Национальной лаборатории линейных ускорителей SLAC американского Министерства энергетики (U.S. Department of Energy, DOE) создали совсем крошечный ускоритель частиц, основным рабочим телом которого является кристалл из кварцевого стекла, длиной всего в пять миллиметров. Несмотря на столь малые размеры, уровень ускорения электронов в таком ускорителе в 10 раз превышает уровень ускорения в существующих на сегодняшний день линейных ускорителях частиц.

Согласно статье, опубликованной в последнем выпуске журнала Nature,

разработанная учеными технология станет тем, что позволит создать сверхминиатюрные ускорители частиц и источники различных видов излучения для научных и медицинских целей.

«Конечно, существует еще целый ряд проблем, которые необходимо решить, прежде чем разработанная нами технология сможет использоваться на практике. Но, в любом случае, внедрение разработанных нами принципов может помочь существенно сократить размеры и стоимость будущих ускорителей и коллайдеров, разгоняющих частицы до сверхвысоких энергий, что позволит ученым более глубоко исследовать мир элементарных частиц и их взаимодействий» – рассказывает Джоэл Энглэнд (Joel England), ученый-физик из лаборатории SLAC.

«Также наша технология ускорения частиц с помощью света лазера позволит создать компактные ускорители электронов, которые обеспечат работу источников рентгеновского и других типов излучений для систем безопасности, для медицинской радиотерапии, для проведения съемки различных биологических структур и изучения всевозможных материалов».

Рис. 1.

Как уже упоминалось выше,

несмотря на малые размеры, возможности нового ускорителя-на-чипе превосходят возможности всех существующих линейных ускорителей. Если, используя разработанную технологию, изготовить ускоритель, длиной около 30 метров, энергия, до которой он сможет разгонять электроны, будет соответствовать энергии, до которой разгоняет электроны большой линейный ускоритель SLAC, длина которого превышает 3 километра (2 мили). При этом, компактный ускоритель будет способен вырабатывать импульсы высокоэнергетических электронов с частотой миллиона раз в секунду.

Опытный образец миниатюрного ускорителя демонстрирует градиент ускорения, количество энергии, полученной разгоняемой частицей за определенную длину ускорителя, равный 300 миллионам электронвольт на метр. Это – приблизительно в 10 раз больше, чем величина ускорения в существующих на сегодняшний день самых мощных линейных ускорителях.

«Нашей конечной целью является достижение величины в один миллиард электронвольт на метр, и уже в наших самых первых экспериментах мы уже получили одну треть от нашей цели» – рассказывает Роберт Байер (Robert Byer), профессор физики из Стэндфордского университета и научный руководитель данного проекта.

Современные ускорители используют микроволновое излучение для разгона и увеличения энергии электронов. Исследователи, в поисках более экономных альтернативных вариантов ускорения электронов, использовали свет ультраскоростных лазеров для реализации совершенно нового принципа ускорения частиц.

В новом ускорителе частицы разгоняются за два этапа. Сначала они разгоняются традиционными способами почти до скорости света. После этого любое дополнительное воздействие не увеличивает их скорость, а увеличивает количество содержащейся в них энергии.

Именно второй, наиболее важный этап ускорения, происходит в пределах канала, толщина которого составляет половину микрона и который находится в пределах кристалла кварцевого стекла.

Рис. 2.

Разгонный канал имеет достаточно сложную структуру. Его поверхность покрыта точно расположенными наноразмерными выступами. Инфракрасный свет, освещающий всю эту структуру, производит области с неравномерным распределением электрических полей, которые взаимодействуют с электронами и ускоряют их, повышая их энергию.

Превращение такого ускорителя-на-чипе в законченный настольный ускоритель потребует разработки более компактного метода получения разогнанных до скорости света электронов, которые подаются в канал второй ступени ускорителя. Такое решение уже имеется в распоряжении ученых, а авторами этой разработки является группа ученых из Института квантовой оптики Макса Планка (Max Planck Institute of Quantum Optics) в Германии, которым с помощью света лазера удалось реализовать низкоэнергетический разгон электронов почти до скорости света.