Новые лазерные ускорители обещают поднять с колен медицину и физические исследования

Новые лазерные ускорители обещают поднять с колен медицину и физические исследования

Физики из Национальной ускорительной лаборатории Стэнфордского центра линейного ускорителя и Стэнфордского университета (США) под руководством Джоэля Ингленда (Joel England) создали новый тип лазерных ускорителей частиц, способных придать электронам энергию, которая в десять раз превышает показатели обычных мини-ускорителей такого рода.

Ключевой компонент разработки — наноструктурированная микросхема из кварцевого стекла, по размеру не превышающая рисового зёрнышка. Важно, что устройство создано из лазеров, которые можно найти в продаже, а не уникальных лабораторных экземпляров. Ну а для его сборки использовались «массовые недорогие методы».

Во время испытаний полученных микроускорителей измерялось количество энергии, которое они придавали электронам на единицу длины ускорителя. В итоге получилась цифра, эквивалентная 300 миллионам электронвольт на метр. Это примерно в десять раз больше, чем показатели нынешнего Стэнфордского линейного ускорителя, имеющего длину 3,2 км. «Наша цель — добиться с помощью такой же структуры придания частице миллиарда электронвольт на метр длины установки, и уже после первого эксперимента мы прошли треть этого пути», — подчёркивает ведущий исследователь Роберт Байер (Robert Byer) из Стэнфордского университета.

Сегодня для разгона электронов в ускорителях применяются микроволны. Учёные по всему миру пытаются разработать более экономичный путь, который позволил бы создавать мощные ускорители без строительства циклопических сооружений, подобных Большому адронному коллайдеру. И хотя все они действуют на лазерах с максимально коротким импульсом, до сих пор добиться существенных прорывов не удавалось.

Первая фаза любого ускорения проста: частицам придают скорость, близкую к скорости света. На второй дополнительное ускорение почти не меняет скорость частицы, зато растёт её энергия (чем ближе к скорости света, тем быстрее, — и тем медленнее увеличивается скорость). Вторая часть — самая сложная. С первой неплохо справляются и обычные ускорители, поэтому в ходе испытаний экспериментальное лазерное устройство стэнфордцев использовалось в качестве «второй ступени». Предварительно разогнанные электроны были сосредоточены в крохотном канале диаметром в полмикрона, идущем внутри микросхемы из кварцевого стекла длиной в полмиллиметра. Внутри схемы предварительно были нанесены нанонеровности, а когда излучение инфракрасного лазера падало на образец, он генерировал электрическое поле, которое взаимодействовало с электронами в канале, придавая им энергию.

Как показано на видео ниже, волны от ИК-лазера в нормальных условиях разгоняли бы электроны настолько, насколько замедляли бы их. Однако благодаря тому, что канал имеет сужения в половине участков, а излучение от лазера по времени регулируется и сопрягается с прохождением электрона через нужные участки, ускорение от его луча является более высоким, а торможение — значительно более низким, нежели в естественных условиях:



Впрочем, для того чтобы весь ускоритель можно было «ужать» до одного компактного устройства, этого мало. Группа германских исследователей во главе с Петером Хоммельхоффом (Peter Hommelhoff) из Университета Эрлангена — Нюрнберга, сотрудничающая со стэнфордцами, знает, как вместо громоздкого микроволнового ускорителя, разгоняющего электроны на предварительной стадии, использовать лазерный, по компактности близкий к стэнфордскому.

Что даёт разработка столь небольших, но мощных ускорителей? Конечно, им рады физики: рентгеновские лазеры на свободных электронах и всевозможные исследовательские ускорители, помещающиеся в очень ограниченном пространстве, будут намного дешевле нынешних, что позволит развивать те направления научной работы, на которые сегодня просто не хватает денег. По расчётам, стэнфордский линейный ускоритель можно будет заменить на тридцатиметровый (вместо нынешних трёх километров!), да и следующий Большой адронный коллайдер, возможно, утратит первое слово в своём названии.

Но «настольные» ускорители на лазерах этим, конечно же, не ограничатся. Рентгеновские аппараты нынче дороги, громоздки; их, увы, нельзя использовать для экспресс-диагностики на дому. Кроме того, разрешение новых рентгеновских устройств может оказаться радикально выше — таким, которое сегодня доступно только в лучших мировых лабораториях, что позволит увидеть изъяны в костях или внутренних органах ещё до того, как они начнут убивать вас. Разумеется, серьёзно улучшится и уровень ручных сканеров безопасности в аэропортах, равно как и средства радиотерапии и радиохирургии головного мозга и позвоночника...

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature.

Подготовлено по материалам Стэнфордского университета.