Πείραμα για έναν μικρότερο και φθηνότερο διάδοχο του επιταχυντή του CERN

Το «πράσινο φως» για την επόμενη φάση ενός πειράματος που αφήνει ελπίδες πως θα ανοίξει τον δρόμο για έναν μικρότερο και επομένως φθηνότερο «διάδοχο» του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), έδωσε τον περασμένο μήνα το συμβούλιο του CERN.

 cern-advanced-wakefield-experiment-awake Το πείραμα ονομάζεται AWAKE (Advanced Wakefield Experiment) και από την επόμενη χρονιά στα πλαίσιά του θα δοκιμασθεί μία μέθοδος για την επιτάχυνση σωματιδίων σε ακόμη μεγαλύτερες ενέργειες από ό,τι ο LHC.

Αν ολοκληρωθεί με επιτυχία, θα ανοίξει τον δρόμο για ακόμη πιο ισχυρές διατάξεις από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, οι οποίες δεν θα έχουν υπέρογκο κόστος κατασκευής.

Παρόλο που ήδη υπάρχουν πλάνα για την «επόμενη ημέρα» μετά τον LHC, ο οποίος θα συνεχίσει να χρησιμοποιείται μέχρι τη δεκαετία του 2030, πολλοί ειδικοί φοβούνται πως η τεχνολογία στην οποία βασίζεται ο LHC και οι προτεινόμενοι «διάδοχοί» του έχει ήδη αγγίξει τα όριά της, τόσο κατασκευαστικά όσο και από την άποψη χρηματοδότησης τέτοιων πρότζεκτ.

«Όταν βλέπεις το κόστος που εκτιμάται πως θα έχουν αυτά τα μηχανήματα, όπως και τις διαστάσεις τους, συνειδητοποιείς πως χρειάζεται κάποια νέα, ριζοσπαστική λύση», λέει χαρακτηριστικά στο περιοδικό Nature ο Νικ Γουόλτερ, επιστήμονας από το εργαστήριο φυσικής υψηλών ενεργειών στο Αμβούργο της Γερμανίας.

Οι συμβατικοί επιταχυντές, όπως ο 27 χιλιομέτρων LHC, χρησιμοποιούν ηλεκτρικά πεδία για να προσδώσουν ταχύτητα σε φορτισμένα σωματίδια μέσα σε μία σήραγγα.

Το γεγονός όμως ότι η σήραγγα καλύπτεται από ένα μεταλλικό περίβλημα σημαίνει πως υπάρχει ένα όριο στην ένταση του πεδίου.

Επομένως, για να αυξηθεί ακόμη περισσότερο η ταχύτητα των σωματιδίων, και επομένως η ενέργειά τους, η μόνη λύση είναι να αυξηθεί το μήκος της σήραγγας.

Η εναλλακτική μέθοδος, που ονομάζεται επιτάχυνση µε λέιζερ και πλάσµα («wakefield acceleration»), μπορεί να ανατρέψει τα δεδομένα, όπως σημειώνει στο περιοδικό ο Άλεν Κάλντγουελ, από το γερμανικό Ινστιτούτο Φυσικής Μαξ Πλανκ και επικεφαλής του πειράματος.

Με τη συγκεκριμένη τεχνική, εκτοξεύεται μία δέσμη λέιζερ που διαπερνά τη μάζα πλάσματος που βρίσκεται μέσα στον επιταχυντή, προκαλώντας με αυτό τον τρόπο την ταλάντωση των ηλεκτρονίων και των θετικά φορτισμένων ιόντων.

Έτσι, οι περιοχές αρνητικού και θετικού φορτίου που σχηματίζονται δημιουργούν κύματα, τα οποία αναλαμβάνουν να επιταχύνουν τα σωματίδια.

Επομένως, αν τα σωματίδια βρεθούν μέσα στο μηχάνημα την κατάλληλη στιγμή, ουσιαστικά «σερφάρουν» πάνω στα κύματα, κερδίζοντας ολοένα περισσότερη ταχύτητα.

Επειδή τα ηλεκτρικά πεδία που δημιουργούνται τοπικά είναι πολύ ισχυρότερα από αυτά σε έναν συμβατικό επιταχυντή, για την ίδια διαδρομή των σωματιδίων, η επιτάχυνσή τους μπορεί να είναι έως και 1.000 φορές μεγαλύτερη.

Η επόμενη φάση του πειράματος αφορά τη δοκιμή μιας κρίσιμης παραμέτρου της ιδέας πριν από το τέλος του 2018, όταν οι επιταχυντές του CERN θα διακόψουν για μία ακόμη φορά τη λειτουργία τους, ώστε να αναβαθμισθούν.

Πιο συγκεκριμένα, θα χρησιμοποιηθούν πρωτόνια, για να διαπιστωθεί κατά πόσο μπορούν να δημιουργήσουν τα ηλεκτρικά πεδία που χρειάζονται για την επιτάχυνση σωματιδίων μέσα σε πλάσμα.

Η φάση αυτή θα θεωρηθεί πετυχημένη αν τα πεδία που δημιουργούνται έχουν τη μορφή σύντομων παλμών, όπως απαιτείται. Στην περίπτωση που η απάντηση είναι θετική, τότε θα μπορούσε να κατασκευασθεί ένα μηχάνημα με τη συγκεκριμένη τεχνολογία στο CERN, αυξάνοντας ακόμη περισσότερο την ταχύτητα πρωτονίων που έχουν επιταχυνθεί στον LHC.

Σε ένα τέτοιο ενδεχόμενο, η σήραγγα του μηχανήματος δεν θα χρειάζεται να έχει μήκος παραπάνω από λίγα χιλιόμετρα, για να επιταχύνει τα σωματίδια στην ίδια περίπου ενέργεια με τον International Linear Collider, έναν επιταχυντής που έχει προταθεί για «διάδοχος» του LHC. Χωρίς δηλαδή να έχει το «φαραωνικό» μέγεθος του International Linear Collider, ο οποίος θα φθάνει σε μήκος τα 31 χιλιόμετρα.

Παρά τις υποσχέσεις που δίνει πάντως αυτή η τεχνική, θα χρειασθούν δεκαετίες ακόμη για να μπορεί να εφαρμοσθεί, αφού θα πρέπει να μπορεί επίσης να εξασφαλίζει μεγάλες ποσότητες επιταχυνόμενων σωματιδίων. Εντούτοις, για φυσικούς όπως ο Γουόλτερ, είναι η μόνη εναλλακτική λύση που μπορεί να δώσει αποτέλεσμα.

Πηγή

Advertisements