Το Lasetron θα μπορούσε να αφήσει τους επιστήμονες να δουν μέσα στον πυρήνα του ατόμου

Από σελίδα του UniSci, 2 Μαίου 2002

Με τη χρησιμοποίηση ενός εξαιρετικά-ισχυρού λέιζερ που εκπέμπει ενεργειακές λάμψεις -εκρήξεις- που διαρκούν ένα μικροσκοπικό μέρος του ενός δευτερολέπτου, οι επιστήμονες μπορούν τελικά να είναι σε θέση να δουν -- και ίσως να ελέγξουν -- τι συμβαίνει στην καρδιά ενός ατόμου, τον πυρήνα του.

Αυτό το σύστημα, που οι θεωρητικοί το αποκαλούν "lasetron," θα μπορούσε επίσης εν συντομία να παραγάγει ένα ογκώδες μαγνητικό πεδίο που μοιάζει με αυτό ενός νεκρού αστέρα που είναι γνωστό ως λευκός νάνος, ανοίγοντας έτσι την πόρτα σε σημαντικά νέα πειράματα στην αστροφυσική.

Κανένα lasetron δεν έχει φτιαχθεί ακόμα, αλλά οι ερευνητές Alexander Kaplan και Peter Shkolnikov πρότειναν την ιδέα και εξήγησαν το πώς και γιατί η συσκευή θα λειτουργήσει σε ένα πρόσφατο έγγραφο που δημοσιεύεται στο περιοδικό Physical Review Letters.

Ο Kaplan είναι καθηγητής της ηλεκτρικής και εφαρμοσμένης μηχανικής στους υπολογιστές στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins. Ο Shkolnikov, ένας πρώην ερευνητής στο Johns Hopkins, συνδέεται τώρα με το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης στο Stony Brook.

Από τότε που εμφανίστηκε το έγγραφο, ερευνητές στα κέντρα που είναι εξοπλισμένα με πολύ ισχυρά λέιζερ έχουν έρθει σε επαφή με τους δύο συντάκτες για να εκφράσουν ενδιαφέρον για την οικοδόμηση ενός lasetron.

"Αυτό θα ήταν ένα απολύτως νέο εργαλείο για την πυρηνική επιστήμη," λέει ο Kaplan. "Κανένας δεν έχει δει ποτέ τις διαδικασίες που εμφανίζονται μέσα στον πυρήνα ενός ατόμου. Εάν μπορούμε να παραγάγουμε πολύ υψηλής έντασης παλμούς, θα μπορούσαμε ακόμη και να ελέγξουμε τις πυρηνικές αντιδράσεις. Φαίνεται σχεδόν σαν επιστημονική φαντασία, ότι μπορούμε να είμαστε σε θέση να επιβραδύνουμε ή να επιταχύνουμε την πυρηνική διάσπαση. Χρησιμοποιώντας τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, θα μπορούσαμε να προσπαθήσουμε να ελέγξουμε τη ραδιενέργεια, την οποία κανένας δεν ήταν σε θέση να το κάνει."

Το εργαλείο lasetron αναμένεται να παραγάγει εκλάμψεις φωτός τόσο γρήγορες που αυτές θα μπορούσαν να φωτίσουν τα πυρηνικά γεγονότα με τον ίδιο τρόπο, που μια λάμψη των φωτογραφικών μηχανών μέσα σε ένα σκοτεινό δωμάτιο μπορεί "να παγώσει" μια στιγμή της δράσης. Επειδή η πυρηνική κίνηση πραγματοποιείται πολύ γρήγορα, οι επιστήμονες θα χρειάζονταν έναν παλμό φωτός που διαρκεί μόνο ένα zeptosecond για να τους παρατηρήσουν. Ένα zeptosecond είναι 10^-21 δευτερόλεπτα!

Οι Kaplan και Shkolnikov λένε ότι τέτοιοι υπερταχείς παλμοί θα μπορούσαν να παραχθούν από τη χρησιμοποίηση κυκλικά πολωμένης ισχύος της τάξεως του ενός petawatt, ή λέιζερ 10¹⁵ Watt, στο οποίο οι ακτίνες του φωτός φτιάχνονται έτσι ώστε τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία να κινούνται σε μια κυκλική κατεύθυνση.

Το λέιζερ θα στόχευε σε έναν μικροσκοπικό στόχο -- ένα σωμάτιο υλικού ή ενός εξαιρετικά λεπτού καλωδίου. Το λέιζερ θα ανάγκαζε τα ηλεκτρόνια του στόχου να ελευθερωθούν. Μερικά από αυτά τα ηλεκτρόνια θα περιστρέφονταν γρήγορα μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο του φωτός του λέιζερ.

Καθώς αυτά θα περιστρέφονταν, λένε οι ερευνητές, κάθε ηλεκτρόνιο θα εξέπεμπε μια λάμψη φωτός με μορφή ενός λεπτού κώνου. Από την άκρη, αυτά τα περιστρεφόμενα ηλεκτρόνια θα φαίνονταν ότι λάμπουν για ένα zeptosecond, όπως ένας μικροσκοπικός φάρος. Θεωρητικά, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν αυτές τις λάμψεις για να δουν τη δραστηριότητα μέσα στον πυρήνα ενός ατόμου.

Όταν ένα lasetron θα θέτει τα ηλεκτρόνια σε κίνηση, οι ερευνητές λένε, θα δημιουργεί επίσης ένα μαγνητικό πεδίο που το μέτρο του θα ήταν περίπου 1 εκατομμύριο Τesla , ένα πεδίο πολύ ισχυρότερο από οποιοδήποτε έχει δημιουργηθεί στη Γη και που πλησιάζει το επίπεδο που βρίσκεται κοντά στους λευκούς νάνους αστέρες.

Τέτοια πεδία θα επέτρεπαν στους αστροφυσικούς να εξετάσουν τις νέες θεωρίες για τις ακραίες συνθήκες κοντά σε αυτά τα διαστημικά αντικείμενα. "Αυτό ήταν ένα μπόνους που δεν το αναμέναμε," λέει ο Kaplan.

Υπάρχουν όμως διάφορα εμπόδια προτού να μπορέσει η θεωρία των Kaplan- Shkolnikov να εξεταστεί σε ένα εργαστήριο. Πρώτα, κανένα λέιζερ ισχύος της τάξεως του petawatt, που απαιτεί τεράστια ποσά ενέργειας, δεν υπάρχουν ακόμα. Εντούτοις, διάφορα λέιζερ petawatt φτιάχνονται σε διάφορα κράτη, και μερικές από αυτές τις συσκευές μπορούν να είναι λειτουργικές μέχρι το τέλος του έτους.

Το άλλο βασικό πρόβλημα είναι ότι οι επιστήμονες δεν έχουν αυτήν την περίοδο κανένα μέσο να ανιχνεύσουν και να μετρήσουν τους παλμούς διάρκειας ενός zeptosecond. Τα δε ισχυρά μαγνητικά πεδία θα έφερναν πιθανώς τον όλεθρο με τους υπάρχοντες τύπους των ανιχνευτών.

Εντούτοις, μέσα σε δύο έτη ο Kaplan θεωρεί ότι τα λιγότερο ισχυρά λέιζερ θα είναι σε θέση να χρησιμοποιήσουν την έννοια του lasetron για να παραγάγουν ηλεκτρομαγνητικά πεδία για την έρευνα της αστροφυσικής και ενδεχομένως για τη χρήση σε προηγμένες συσκευές ανίχνευσης, που απαιτούν πολύ σύντομους σφυγμούς και που παράγονται από αυτά μαγνητικά πεδία.

Μπορεί να πάρει αρκετό χρόνο, λέει ο Kaplan, προτού οι επιστήμονες να είναι ικανοί να παραγάγουν τους παλμούς της τάξεως του ενός zeptosecond, που απαιτούνται για να κοιτάξουν τι συμβαίνει μέσα σε έναν πυρήνα.

"Αυτό δεν με ενοχλεί πάρα πολύ," συνεχίζει ο Kaplan. "Συχνά, αυτό που κάνουν κάποιοι θεωρητικοί είναι να βρούν τις φιλόδοξες ιδέες και να διαδοθεί η ιδέα για αυτές. Μετά πρόκειται οι πειραματιστές να τις πάρουν και να τις εφαρμόσουν."

Η χρηματοδότηση για αυτό το πρόγραμμα δόθηκε από το Γραφείο της Πολεμικής Αεροπορίας για την επιστημονική έρευνα.