Wielki Zderzacz Hadronów to największy akcelerator cząstek, jaki zbudowała ludzkość. Pracują przy nim tabuny naukowców, inżynierów, techników, oraz pracowników niższego szczebla. Generuje on potężne energie i rozciąga się na powierzchni, na której można by postawić całkiem spore miasto. To jedno z najbardziej zaawansowanych narzędzi, jakie ludzkość kiedykolwiek wybudowała. Spójrzmy jednak na urządzenie, które znajduje się na drugim końcu spektrum, czyli na najmniejszy akcelerator cząsteczek na świecie.
Najmniejszy akcelerator cząstek na świecie
Akcelerator cząstek to z definicji urządzenie, które przyspiesza cząstki subatomowe, takie jak protony, neutrony lub elektrony, do bardzo wysokich prędkości. Tym samym nadaje on cząstkom energię kinetyczną. W tym celu zwykle wykorzystuje się potężne pole elektromagnetyczne, generowane przez potężne elektromagnesy, chociaż nie są one konieczne. Należy o nich myśleć jak o torze rozpędowym dla cząstek, który sam nadaje prędkość. Ewentualnie jak o dziale, chociaż warto pamiętać, że cząstki niekoniecznie muszą opuszczać akcelerator.
Akcelerator cząstek u każdego!
Warto tutaj podkreślić, że kilkadziesiąt lat temu mały akcelerator cząstek był obecny w niemal każdym domu. Otóż jednym z elementów telewizorów kineskopowych było działo elektronowe, które rozpędzało elektrony, które po uderzeniu w wewnętrzną część ekranu pokrytego luminoforem, czyli substancją fosforescencyjna powodowały jej świecenie. Tu jako ciekawostkę w ciekawostce dodam, że z powodu ciągłego bombardowania elektronami taki ekran był naładowany elektrycznie ujemnie, więc dotknięcie go, a czasami i samo zbliżenie do niego ręki wywoływało słyszalne trzaski, oraz dość specyficzne uczucie na skórze.
Jak nie działa najmniejszy akcelerator czątek
Jednak nawet ten akcelerator z telewizora był gigantem w porównaniu do najmniejszego z akceleratorów, który, jak już pewnie wiecie, bo przeczytaliście tytuł, ma zaledwie 0,2 milimetra. Oczywiście w przypadku tak małego urządzenia pole elektromagnetyczne z elektromagnesów nie byłoby w stanie zbytnio przyśpieszyć cząsteczek. Jednak pracownicy z niemieckiego Uniwersytetu w Erlangen-Norymberdze, na których czele stoi Peter Hommelhoff wpadli na zupełnie inny pomysł.
Ich miniaturowy akcelerator cząstek do ich rozpędzania wykorzystuje światło lasera. Jak jednak foton, który przecież nie ma masy, ma przekazać energię kinetyczną cząsteczce? No cóż… nijak. Może ją jednak wzbudzić do wyższego stanu energetycznego, a w przypadku silnego lasera nawet wymusić do przejścia w stan plazmy. Plazma natomiast charakteryzuje silnym polem elektromagnetycznym, które z kolei jest w stanie przyśpieszać cząsteczki. Tym samym osiągamy ten sam efekt, jak w przypadku akceleratorów wykorzystujących elektromagnesy.
Jak działa najmniejszy akcelerator cząstek
Problem w tym, że w tak małym akceleratorze takie podejście, dość standardowe dla akceleratorów laserowych również nie miałoby racji bytu. Tu kluczowym składnikiem okazał się krzem. A dokładniej konstrukcja złożona z mikrosłupków krzemowych. Materiał ten jest bowiem półprzewodnikiem. A jak dobrze wiecie z tekstu o tym, jak działa fotowoltaika, pod wpływem fotonów elektrony w krzemie są wybijane, jednak nie zawsze są one w stanie wrócić na miejsce z powodu właściwości półprzewodnikowych tego pierwiastka.
Powstają więc pary elektron i dziura elektronowa, które jednak nie mają swojego ujścia. Mamy więc całkiem sporą różnicę potencjałów elektrycznych, która jest utrzymywana pod wpływem ciągłego bombardowania fotonami z lasera. Tym samym w słupkach krzemowych powstaje potężne (chociaż o bardzo małym zasięgu) pole elektromagnetyczne, które, jak już wiemy z zasad działania akceleratorów cząsteczek, jest w stanie przyśpieszać elektrony.
Czy jest to proces efektywny? Nie, ponieważ do przyśpieszenia cząstek wykorzystuje się zaledwie jedną milionową część mocy lasera. Jednak jest wystarczający, ponieważ możemy liczyć na przyśpieszenie pojedynczych cząsteczek do nawet stu tysięcy kilometrów na sekundę. Oczywiście sam laser o wysokiej energii nie jest już traktowany jako element akceleratora, a zewnętrzne źródło energii. Jest również znacznie większy. Co więcej, od boku umieszczono także emiter elektronów, który doprowadza je do akceleratora.
Najmniejszy akcelerator cząstek i jego możliwości
Warto także dodać, że po stworzeniu znacznie dłuższej, bo aż półmilimetrowej wersji urządzenia (zabawnie to brzmi w kontekście tych wymiarów, co?) osiągnięto wzrost energii cząsteczek aż o 43%. Tym samym cały proces jest skalowalny.
Nic też nie stoi na przeszkodzie, aby na przykład umieścić taki akcelerator na końcu cienkiego światłowodu, co sprawi, że będzie możliwe przyśpieszanie cząsteczek w sposób niezwykle precyzyjny. Po co? Dobrym przykładem jest tu medycyna. Pozwoli to na przykład na bezpośrednie naświetlanie guza po wprowadzeniu niezwykle cienkiej sondy do wnętrza organizmu chorego. To jednak tylko jedno z potencjalnych zastosowań najmniejszego akceleratora cząstek. Może on także posłużyć do efektywnej i dokładnej sterylizacji sprzętu medycznego.
Źródło: Naukawpolsce.pl, NewScientist, YouTube