Wetenschappers hebben met succes een deeltjesversneller in zakformaat ontwikkeld die ultrakorte elektronenstralen kan projecteren met laserlicht met meer dan 99,99% van de lichtsnelheid.

Om dit resultaat te bereiken, de onderzoekers hebben het licht moeten vertragen om de snelheid van de elektronen te evenaren met behulp van een speciaal ontworpen metalen structuur die is bekleed met kwartslagen die dunner zijn dan een mensenhaar.

Deze enorme sprong voorwaarts biedt tegelijkertijd de mogelijkheid om deeltjesbundels te meten en te manipuleren op tijdschalen van minder dan 10 femtoseconden (0.000 000 000 000 01 seconden, of de tijd die het licht nodig heeft om 1/100ste van een millimeter te reizen). Hierdoor kunnen ze stroboscoopfoto's maken van atomaire beweging.

Deze succesvolle demonstratie maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van hoogenergetische, hoge lading, hoogwaardige Terahertz (THz) aangedreven versnellers, die beloven goedkoper en compacter te zijn. Vermindering van de omvang en kosten van versnellertechnologie, zal deze ongelooflijke machines openstellen voor een veel breder scala aan toepassingen.

Deeltjesversnellers zijn wijdverbreid met toepassingen in fundamenteel onderzoek in de deeltjesfysica, materiaal karakterisering, radiotherapie in ziekenhuizen, waar ze worden gebruikt om kankerpatiënten te behandelen, productie van radio-isotopen voor medische beeldvorming, en veiligheidsonderzoek van lading. De basistechnologie (radiofrequentie-oscillatoren) die aan deze machines ten grondslag ligt, werd ontwikkeld voor radar tijdens de Tweede Wereldoorlog.

In nieuw onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Natuurfotonica , een samenwerkend team van academici laat zien dat hun unieke oplossing is om lasers te gebruiken om terahertz-frequentiepulsen van licht te genereren. Terahertz is een gebied van het elektromagnetische spectrum tussen infrarood (gebruikt in tv-afstandsbedieningen) en magnetron (gebruikt in magnetrons). Door laser gegenereerde THz-straling bestaat in het ideale golflengteregime op millimeterschaal, het maken van structuurvervaardiging eenvoudiger, maar vooral het verschaffen van de halve-cycluslengten die zeer geschikt zijn voor versnelling van hele elektronenbundels met hoge ladingsniveaus.

Hoofdauteur van het artikel Dr. Morgan Hibberd van de Universiteit van Manchester zei:"De grootste uitdaging was het afstemmen van de snelheid van het versnellende THz-veld op de bijna-lichtsnelheid elektronenstraalsnelheid, terwijl ook wordt voorkomen dat de inherent lagere snelheid van de THz-pulsenvelop die zich door onze versnellende structuur voortplant, de lengte waarover het aandrijfveld en de elektronen op elkaar inwerken aanzienlijk verslechtert."

"We hebben dit probleem overwonnen door een unieke THz-bron te ontwikkelen die langere pulsen produceerde met slechts een smal frequentiebereik, de interactie aanzienlijk verbeteren. Onze volgende mijlpaal is het aantonen van nog hogere energiewinsten met behoud van de straalkwaliteit. We verwachten dat dit zal worden gerealiseerd door verfijningen om onze THz-bronenergie te verhogen, die al aan de gang zijn."

Professor Steven Jamison van Lancaster University, die samen het programma leidt, legde uit:"De gecontroleerde versnelling van relativistische bundels met laserachtige pulsen met terahertz-frequentie is een mijlpaal in de ontwikkeling van een nieuwe benadering van deeltjesversnellers. Door elektromagnetische frequenties te gebruiken die meer dan honderd keer hoger zijn dan in conventionele deeltjesversnellers, een revolutionaire vooruitgang in de controle van de deeltjesbundels op femtoseconde tijdschalen wordt mogelijk."

"Met onze demonstratie van terahertz-versnelling van deeltjes die met 99,99% van de lichtsnelheid reizen, we hebben een route bevestigd om terahertz-versnelling te schalen naar zeer relativistische energieën."

Terwijl de onderzoekers oog hebben voor een langetermijnrol van hun concepten bij het vervangen van onderzoeksversnellers op een schaal van meerdere kilometers (zoals de 3 km lange röntgenbron van Europa in Hamburg) door apparaten van slechts enkele meters lang, ze verwachten dat de onmiddellijke effecten zullen zijn op het gebied van radiotherapie en materiaalkarakterisering.

Dr. Darren Graham, Senior Lecturer in Physics aan de Universiteit van Manchester zei:"Het bereiken van deze mijlpaal zou niet mogelijk zijn geweest zonder de unieke samenwerkingsomgeving van het Cockcroft Institute, die heeft bijgedragen aan het samenbrengen van wetenschappers en ingenieurs van de Universiteit van Lancaster, De Universiteit van Manchester en het personeel van STFC bij Daresbury Laboratory."