360-graden opname van de AWAKE-versneller bij CERN, Europa's laboratorium voor deeltjesfysica in de buurt van Genève, Zwitserland. Maximiliaan Brice, Julien Marius Ordan/2018 CERN

Voor natuurkundigen die de subatomaire deeltjes willen bestuderen die de basisbouwstenen van het universum zijn en willen leren hoe ze op elkaar inwerken, een deeltjesversneller - een enorm apparaat dat deeltjes versnelt en activeert en ervoor zorgt dat ze botsen - is een heel belangrijk hulpmiddel. Stel je een versneller voor als een microscoop ter grootte van een berg, in staat om de kleinste dingen die er zijn te bestuderen.

"Versnellers zijn de ultieme microscopen, "Mark J. Hogan, een natuurkundige aan het SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Californië, legt het uit in een e-mail. "Hun oplossend vermogen is evenredig met de energie van de deeltjesbundels. De huidige machines die aan de energiegrens werken, zijn monumenten van menselijke techniek. Deze machines zijn tientallen kilometers groot, maar beheersen hun bundels tot een fractie van de diameter van een mensenhaar. "

Daarom met een gaspedaal, groter is altijd beter geweest. Als je zelfs maar een toevallige wetenschapsfanaat bent, je hebt waarschijnlijk gehoord van de grote papa-versneller van allemaal, de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN, Europa's laboratorium voor deeltjesfysica in de buurt van Genève, Zwitserland. Misschien wel de meest complexe machine ooit gemaakt, de LHC heeft een enorme, 27,35 kilometer lange baan die het gebruikt om deeltjes te versnellen. Wetenschappers gebruikten de LHC in 2012 om het Higgs-boson te observeren, een deeltje dat helpt verklaren waarom andere deeltjes massa hebben en waarom dingen bij elkaar blijven.

Kleiner en minder duur

Een probleem met echt grote deeltjesversnellers, Hoewel, is dat ze ongelooflijk duur zijn en enorme hoeveelheden elektriciteit verbruiken. de LHC, bijvoorbeeld, kosten $ 4,1 miljard alleen om te bouwen. Dus wat natuurkundigen heel graag zouden willen hebben, is een manier om de klus te klaren die niet zo groot en duur is.

Daarom was er zoveel opwinding over het nieuws dat CERN-onderzoekers met succes een nieuwe manier hebben getest om elektronen te versnellen tot hoge energieën door middel van proton-aangedreven plasma-wakefield-versnelling. De methode omvat het gebruik van intense klonten protonen om golven in plasma te genereren, een soep van geïoniseerde atomen. De elektronen rijden dan op de golven om te versnellen, alsof ze surfers op subatomaire schaal waren.

Tijdens een testrun met het Advanced Wakefield Experiment (AWAKE) in mei, CERN-onderzoekers slaagden erin om de methode te gebruiken om elektronen te versnellen tot energieën van 2 gigaelektronvolt (GeV) over een afstand van 10 meter (32,8 voet).

Hier is een video waarin Edda Gschwendtner, projectleider van CERN AWAKE, legt het concept van versnellers uit, en waarom een ​​eiwitgedreven plasma-wakefield-versneller zo'n grote doorbraak is:

Andere onderzoekers prezen de prestatie van CERN. "Deze techniek zou de faciliteiten van CERN een nieuwe compacte manier kunnen geven om hoogenergetische elektronen te produceren die in botsing kunnen komen met vaste doelen of protonenbundels om een ​​nieuw hulpmiddel te maken voor deeltjesfysici om fundamentele deeltjes en de krachten die hun interacties bepalen, te begrijpen, ' zegt Hogan.

"Dit resultaat is belangrijk voor de toekomst van de hoge-energiefysica, omdat het een pad kan openen naar een compacte 1 TeV-elektronenversneller op basis van plasma-wakefield-versnelling, " legt James Rosenzweig uit, een professor in versneller- en bundeldynamica aan de UCLA, en directeur van het Particle Beam Physics Lab van de universiteit. "Vanuit het oogpunt van het introduceren van fysieke principes, dit experiment is een primeur - het introduceert plasma-wakefields die worden opgewekt door protonenstralen.

"Het belangrijkste voordeel van plasmaversnellers is te vinden in de grote versnellende elektrische velden die kunnen worden ondersteund - tot 1 000 keer groter dan in conventionele versnellers. Het gebruik van protonen maakt in principe bundels met een veel grotere beschikbare totale energie mogelijk voor versnelling, ' zegt Rosenzweig via e-mail.

Hogan's team bij SLAC heeft een andere plasma-wakefield-versnellingsmethode ontwikkeld, die vertrouwt op bundels elektronen die in het plasma worden ingebracht om golven te creëren waarop andere elektronen kunnen rijden. Maar welke methode ook wordt gebruikt, plasma biedt een manier om voorbij de beperkingen van conventionele versnellers te komen.

"Met al hun precisie en succes, Hoewel, deze machines naderen de grenzen van omvang en kosten die de samenleving zich kan veroorloven, Hogan zegt. Voor machines die elektronen versnellen, de grootte is gerelateerd aan de maximale snelheid waarmee we energie aan de deeltjes kunnen toevoegen. Gebruikmakend van conventionele technologieën met metalen constructies, we kunnen deze snelheid niet verder verhogen omdat de velden zo groot worden dat de materialen onder extreme krachten afbreken. een plasma, een geïoniseerd gas, is al afgebroken en kan veel grotere velden ondersteunen en wanneer goed gemanipuleerd, kan met een veel grotere snelheid energie aan deeltjesbundels toevoegen en dus in principe met een kleinere voetafdruk de energiegrens bereiken.

"Veel groepen hebben aangetoond dat we plasma's kunnen gebruiken om energetische bundels elektronen te maken, ", zegt Hogan. "Veel van de volgende generatie onderzoek is erop gericht om aan te tonen dat we dit kunnen doen terwijl we tegelijkertijd balken maken met een kwaliteit en stabiliteit die gelijkwaardig is aan conventionele technologieën. Andere onderzoeksthema's zijn hoe je veel opeenvolgende plasmacellen achter elkaar kunt rijgen om zeer hoge energieën te bereiken. Bijkomende uitdagingen zijn het begrijpen hoe positronen kunnen worden versneld, de antimaterie equivalent aan elektronen in een plasma. Vooruit kijken, veel groepen, waaronder mijn collega's bij SLAC, hopen hoogenergetische stralen te ontwikkelen met superieure kwaliteiten die de deur zullen openen naar nieuwe wetenschappelijke instrumenten in het volgende decennium en daarna."

Een woordvoerder van AWAKE vertelde aan het tijdschrift Science dat de onderzoekers de technologie in de komende vijf jaar hopen te ontwikkelen. tot het punt waar het kan worden gebruikt voor onderzoek naar deeltjesfysica.

Dat is nu interessant

Zoals het tijdschrift Horizon van de Europese Unie beschrijft, wetenschappers hebben ook overwogen om een ​​conventionele deeltjesversneller te bouwen die drie keer zo groot is als de LHC. Het apparaat zou de mogelijkheid hebben om deeltjes samen te breken door ze te activeren met het equivalent van 10 miljoen blikseminslagen.