Ο πιο μικροσκοπικός επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο χωράει σε ένα νόμισμα

Αν σκεφτείτε έναν επιταχυντή σωματιδίων, αυτό που μπορεί να σας έρθει στο μυαλό είναι κάτι σαν του CERN

Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC)

: ένας κολοσσός πολλών δισεκατομμυρίων δολαρίων που έχει πλάτος δεκάδες μίλια και διασχίζει διεθνή σύνορα στο όνομα του ξεκλειδώματος του τρόπου λειτουργίας του σύμπαντος.

Αλλά οι επιταχυντές σωματιδίων παίρνουν πολλές μορφές. Υπάρχουν

πάνω από 30.000

επιταχυντές στον κόσμο σήμερα. Ενώ μερικά από αυτά – συμπεριλαμβανομένου του LHC – έχουν σχεδιαστεί για να αποκαλύπτουν τα μυστικά του σύμπαντος, η συντριπτική πλειοψηφία έχει πολύ περισσότερους γήινους σκοπούς. Χρησιμοποιούνται για τα πάντα από

δημιουργώντας δέσμες λαμπερού φωτός

προς την

κατασκευή ηλεκτρονικών

προς την

απεικόνιση του σώματος και θεραπεία του καρκίνου

. Στην πραγματικότητα, ένα νοσοκομείο

μπορώ να αγοράσω

έναν ιατρικό επιταχυντή μεγέθους δωματίου για μερικές μόνο εκατοντάδες χιλιάδες δολάρια. Και, από τον περασμένο μήνα, οι επιστήμονες έκαναν άλλη μια περίεργη προσθήκη στη λίστα: τον μικρότερο επιταχυντή σωματιδίων μέχρι σήμερα.

Οι φυσικοί κατασκεύασαν έναν επιταχυντή στο μέγεθος ενός νομίσματος,

δημοσίευση

τη δουλειά τους σε

Φύση

στις 18 Οκτωβρίου. Αυτή η συσκευή είναι απλώς μια επίδειξη τεχνολογίας, αλλά οι δημιουργοί της ελπίζουν να ανοίξει την πύλη σε ακόμη μικρότερους επιταχυντές που θα μπορούσαν να χωρέσουν σε ένα τσιπ πυριτίου.

“Θεωρώ ότι αυτή η εργασία είναι πραγματικά ενδιαφέρουσα και ωραία φυσική, σίγουρα, και ήταν μια προσπάθεια που συνεχίζεται εδώ και πολύ καιρό”, λέει

Χάουαρντ Μίλχμπεργκ

φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ, ο οποίος δεν ασχολήθηκε με την έρευνα.

[Related: The green revolution is coming for power-hungry particle accelerators]

Αυτός ο μίνι επιταχυντής δεν είναι απλώς ένας λιλιπούτειος LHC. Ανάλογα με το λειτουργικό του ημερολόγιο, ο LHC πυροδοτεί πρωτόνια ή τους πυρήνες των ατόμων μολύβδου γύρω από έναν μεγάλο κύκλο. Αυτός ο μικροσκοπικός επιταχυντής εκτοξεύει ηλεκτρόνια σε ευθεία γραμμή.

Έχουν υπάρξει πολλοί άλλοι γραμμικοί επιταχυντές ηλεκτρονίων, συμπεριλαμβανομένου του πιο διάσημου του τώρα αποσυναρμολογημένου μήκους δύο μιλίων

Γραμμικός επιταχυντής Stanford

. Παραδοσιακά, οι επιταχυντές ηλεκτρονίων ενισχύουν τα βλήματα τους ρίχνοντάς τα μέσα από μεταλλικές κοιλότητες, συνήθως κατασκευασμένες από χαλκό, που περιέχουν ηλεκτρομαγνητικά πεδία συστολής. Οι θάλαμοι έτσι σπρώχνουν τα σωματίδια όπως οι σέρφερ στα ηλεκτρικά κύματα.

Αλλά ορισμένοι φυσικοί πιστεύουν ότι αυτοί οι παλιομοδίτικοι επιταχυντές δεν είναι ιδανικοί. Οι μεταλλικές κοιλότητες είναι επιρρεπείς σε λάθη. Είναι επίσης δυσκίνητα και απαιτούν μεγάλο εξοπλισμό. Ο νέος επιταχυντής των ερευνητών χρησιμοποιεί αντ’ αυτού ακριβείς λήψεις λέιζερ για να ωθήσει τα ηλεκτρόνια.

Οι φυσικοί προσπαθούν να φτιάξουν επιταχυντές λέιζερ από τη δεκαετία του 1960. Αποκαλούμενοι φωτονικοί επιταχυντές, αναφερόμενοι στη μελέτη του φωτός, μπορεί να είναι μικρότεροι και πιο αποδοτικοί από πλευράς κόστους από τους αντίστοιχους που βασίζονται στην κοιλότητα. Αλλά μόνο την τελευταία δεκαετία τα λέιζερ έγιναν αρκετά ακριβή και προσιτά ώστε ακόμη και οι πειραματικοί φωτονικοί επιταχυντές να είναι πρακτικοί.

Το να τα μικρύνει, λοιπόν, έφερε τη δική του σειρά από τρομακτικά εμπόδια. Ένα σημαντικό εμπόδιο ήταν το γεγονός ότι οι μηχανικοί δεν διέθεταν την προηγμένη τεχνολογία που απαιτείται για να δημιουργήσουν τα μικροσκοπικά

εξαρτήματα

ενός μίνι επιταχυντή.

Πάρτε τον επιταχυντή μεγέθους νομίσματος που προσπάθησαν να κατασκευάσουν οι ερευνητές. Πρώτον, παράγει ηλεκτρόνια χρησιμοποιώντας ένα τμήμα που επαναχρησιμοποιήθηκε από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Στη συνέχεια, η συσκευή σπρώχνει τα ηλεκτρόνια προς τα κάτω σε μια κιονοστοιχία: δύο σειρές από αρκετές εκατοντάδες κολόνες πυριτίου, η καθεμία μόλις 2 μικρόμετρα ύψος, με ένα ακόμη μικρότερο κενό μεταξύ των σειρών. Ένα λέιζερ χτυπά την κορυφή των πυλώνων, δημιουργώντας ηλεκτρικά πεδία που ενισχύουν τα ηλεκτρόνια που συμπιέζονται μέσα – τουλάχιστον σε χαρτί.

«Η

κατασκευή

τέτοιων μικρών χαρακτηριστικών με αρκετή ακρίβεια είναι εξαιρετικά απαιτητική», λέει

Τομάς Χλούμπα

, φυσικός στο Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg στη Γερμανία, και ένας από τους συγγραφείς της εργασίας. «Χρειάζεστε πραγματικά κορυφαίες συσκευές… δεν είναι φθηνές συσκευές και δεν είναι συσκευές που ήταν διαθέσιμες τη δεκαετία του ’90».

[Related: Scientists

found

a fleeting particle from the universe’s first moments]

Αλλά η κατασκευή τσιπ πάντα προχωρά. Τώρα, ο Chlouba και οι συνεργάτες του θα μπορούσαν να βασιστούν σε τεχνικές που είναι ήδη κοινές στον κόσμο της κατασκευής ημιαγωγών. Έφτιαξαν ένα επιτυχημένο πρωτότυπο. Η συσκευή μπορεί να αποδώσει μόνο περίπου 1 ηλεκτρόνιο ανά δευτερόλεπτο, μια μικρή σταγόνα σύμφωνα με τα πρότυπα του επιταχυντή σωματιδίων. (Το μέσο καλώδιο μέσα στη μέση συσκευή στο σπίτι σας μεταφέρει τετρασεκατομμύρια φορές περισσότερα ηλεκτρόνια.) Επιπλέον, τα ηλεκτρόνια έχουν περίπου την ίδια

ενέργεια

με εκείνα μέσα σε μια

τηλεόραση

καθοδικού σωλήνα παλαιού τύπου: και πάλι, ελάχιστα από τα πρότυπα του επιταχυντή σωματιδίων.

Ως αποτέλεσμα, «δεν ξέρω πόσο πρακτικό θα μπορούσε να είναι», λέει ο Milchberg. Η τοποθέτηση περισσότερων ηλεκτρονίων κάτω από την κιονοστοιχία θα ήταν σαν να χτυπάς ένα bullseye με μια έκρηξη κυνηγετικού όπλου, λέει.

Πράγματι, ο Chlouba καθιστά ξεκάθαρα σαφές ότι ο ίδιος και οι συνάδελφοί του απέχουν πολύ από τη χρήση αυτού του επιταχυντή για οτιδήποτε μοιάζει με εφαρμογή του πραγματικού κόσμου. Αν θέλουν να το κάνουν αυτό, θα χρειαστεί να φτιάξουν πολλά περισσότερα ηλεκτρόνια, με πολύ υψηλότερες ενέργειες. Ο Milchberg λέει επίσης ότι δεν είναι σαφές εάν παρτίδες ηλεκτρονίων μπορούν να χωρέσουν μεταξύ τους στην κιονοστοιχία χωρίς τα αρνητικά ηλεκτρικά τους φορτία να τα απομακρύνουν.

Αλλά εάν οι ερευνητές καταφέρουν να ξεπεράσουν αυτά τα εμπόδια, ο Chlouba θα μπορούσε να φανταστεί μια σειρά από εφαρμογές για επιταχυντές σωματιδίων που θα μπορούσαν να διατεταγθούν σε ένα τυπικό τσιπ πυριτίου. Οι ιατροί χρησιμοποιούν ήδη επιταχυντές ηλεκτρονίων για τη θεραπεία του καρκίνου του δέρματος. Έχοντας αυτό κατά νου, ορισμένοι γιατροί μπορεί να φανταστούν έναν επιταχυντή που είναι αρκετά μικρός για να τον εισάγει μέσα στο σώμα μέσω ενός ενδοσκοπίου. “Αυτό είναι μικρότερο, φθηνότερο και ταιριάζει παντού”, λέει η Chlouba.