Μια νέα ιδέα για επιταχυντές: Δημιουργία πεδίου σε πλάσμα με τη βοήθεια λέιζερ

Από το περιοδικό Physics Wοrld, Φεβρουάριος 2003

Από 0 στα  200 MeV σε λιγότερο από ένα χιλιοστόμετρο μήκους με έναν επιταχυντή δημιουργίας "ακόλουθου" ηλεκτρικού πεδίου! 

Οι επιταχυντές σωματιδίων είναι οι μεγαλύτερες κατασκευές που χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να αποκαλύψουν τα μυστικά της φύσης. Ας πάρουμε για παράδειγμα τον Μεγάλο Συγκρουστή Αδρονίων του CERN με μήκος 27 Km, ή τον γραμμικό επιταχυντή του Stanford με μήκος 3 km. Οι μηχανές αυτές επιταχύνουν σωμάτια σε ενέργειες πάνω από 
10¹⁰ eV και στη συνέχεια τα σωμάτια αυτά συγκρούονται για ν' απαντήσουν σε θεμελιώδη ερωτηματικά γύρω από τη φυσική υψηλών ενεργειών. 

Όσο χρήσιμοι όμως και αν είναι για την επίλυση θεμελιωδών ερωτημάτων, όπως π.χ. η προέλευση της μάζας των σωματιδίων ή η ασυμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης, οι επιταχυντές δεν μπορούν να συνεχίσουν ν' ανεβαίνουν σε όλο και υψηλότερες ενέργειες. Οι περισσότεροι επιταχυντές χρησιμοποιούν κύματα ραδιοσυχνοτήτων συντονισμένα μέσα σε μεταλλικές κοιλότητες για να δώσουν στα σωμάτια ωθήσεις κάθε φορά που αυτά περνούν μέσα από αυτές τις κοιλότητες. Οι βαθμίδες όμως επιτάχυνσης που μπορούν να πετύχουν αυτές οι μηχανές είναι περιορισμένες, και ο μόνος τρόπος να πετύχουμε υψηλότερες τελικές ενέργειες είναι να κατασκευάσουμε μεγαλύτερες μηχανές με περισσότερες κοιλότητες.  

(Εικόνα 1) Ηλεκτρόνια μπορούν ταχύτατα να επιταχυνθούν μέσα σε πλάσμα καθώς σερφάρουν πάνω  στο πεδίο που  δημιουργεί πίσω του ένας παλμός λέιζερ. Το ηλεκτρικό πεδίο του παλμού λέιζερ (πράσινες γραμμές),δημιουργείται και αυξάνεται ακολουθώντας τα "απόνερα" της μετατόπισης των ηλεκτρονίων του πλάσματος. Η πυκνότητα των ηλεκτρονίων του πλάσματος φαίνεται στην εικόνα κίτρινη και κόκκινη (μεγαλύτερη πυκνότητα).Μια δέσμη που κατευθύνεται προς τον άξονα των παγιδευμένων ηλεκτρονίων ευθυγραμμίζεται και επιταχύνεται από το "ακόλουθο" αυτό πεδίο. 

Οι επιταχυντές "ακόλουθου" πεδίου

Μια εναλλακτική ενδιαφέρουσα μέθοδος επιτάχυνσης έχει κάνει σημαντικά βήματα προόδου. Ο επιταχυντής "ακόλουθου" πεδίου με τη βοήθεια λέιζερ (επιταχυντής laser wake field), στηρίζεται στην εκμετάλλευση της πίεσης της ακτινοβολίας από ένα παλμό λέιζερ μεγάλης έντασης που προκαλεί μετατόπιση ηλεκτρονίων μέσα σε πλάσμα, η οποία με τη σειρά της δημιουργεί ένα τεράστιο ηλεκτρικό πεδίο στις περιοχές απ' όπου περνάει ο παλμός. (Βλέπε εικόνα 1). 

Ο Viktor Malka της Ecole Polytechnique στη Γαλλία και οι συνεργάτες του από το εργαστήριο  CEA/DAM στην Bruyères-le-Châtel, στο πανεπιστήμιο του Bordeaux και στο Imperial College του Λονδίνου απέδειξαν ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να επιταχυνθούν δημιουργώντας μια τέτοια διέγερση (V Malka και άλλοι 2002 Science 298 1596).

Τα  αποτελέσματά τους δείχνουν ότι ένα ηλεκτρόνιο από την ηρεμία μπορεί να επιταχυνθεί σε μια ενέργεια 200 MeV σε μια απόσταση 1 mm. Αυτό είναι ένα επίγειο ρεκόρ επιτάχυνσης αν και παρόμοιες επιταχυντικές διαδικασίες σε πλάσμα μπορεί να συμβαίνουν σε ακόμα μεγαλύτερα μεγέθη σε πλάσμα που βρίσκεται γύρω από υπερκαινοφανείς (supernovae) και μαύρες τρύπες. Με τέτοιους ρυθμούς επιτάχυνσης θα μπορούσαμε να πετύχουμε τις σημερινές επιδόσεις υψηλών ενεργειών με επιταχυντή μήκους μόλις ενός μέτρου! 

Υπάρχει όμως ένα μειονέκτημα. Ο επιταχυντής εκτός από τις ενέργειες που πρέπει να φτάσει, πρέπει επίσης να παράγει μια δέσμη σωματιδίων υψηλής ποιότητας για να χρησιμοποιηθεί στις εφαρμογές.  Αυτό σημαίνει ότι η δέσμη πρέπει να είναι καλά ευθυγραμμισμένη, να περιέχει μεγάλο αριθμό σωματιδίων και όλα τα σωματίδια να έχουν την ίδια ή περίπου την ίδια ενέργεια. Υπάρχουν ακόμα πολλά να γίνουν για να μπορέσουν να πραγματοποιηθούν όλα αυτά στην πράξη σε έναν επιταχυντή. Το πρώτο βήμα που έγινε από τον Malka και τους συνεργάτες του, πέτυχε τα υψηλότερης ενέργειας σωματίδια να βρεθούν μέσα σε ένα κώνο γωνίας μικρότερης από 5^°, και αντιστοιχούσε σε εγκάρσια ποιότητα της δέσμης η οποία ήταν καλύτερη από αυτή ενός τυπικού συμβατικού γραμμικού επιταχυντή. 

Σερφάρισμα στο "ακόλουθο" κύμα

Με τη χρήση πλάσματος μπορούμε να περιμένουμε πολλά από τους επιταχυντές, διότι σ' αυτά πετυχαίνουμε ηλεκτρικά πεδία μεγαλύτερα από αρκετές εκατοντάδες gigavolts ανά μέτρο. Αυτό επιτυγχάνεται με τη διέγερση σχετικιστικών κυμάτων πλάσματος. Πρόκειται για χωροχρονικές ταλαντώσεις, οι οποίες εξαρτώνται από την πυκνότητα του πλάσματος, και διεγείρονται με λέιζερ υψηλής έντασης. 

Υπάρχουν διάφορες τεχνικές επιτάχυνσης βασισμένες στο πλάσμα. 

Εικόνα 2

Σε ένα βασικό τύπο επιταχυντού, τον λεγόμενο επιταχυντή ακόλουθου πεδίου, ένας παλμός φωτονίων που είναι μικρότερου μήκους από το μήκος κύματος του πλάσματος, διεγείρει ένα ακόλουθο κύμα σαν αυτό που αφήνει πίσω του ένα πλοίο.(Εικόνα 2, κορυφή).

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να επιταχύνουμε ηλεκτρόνια με παλμούς λέιζερ (κόκκινες γραμμές) μέσα σε πλάσμα. Όσο πιο απότομη είναι η βαθμίδα στο κύμα πλάσματος (μπλε γραμμές) τόσο πιο γρήγορα επιταχύνονται τα ηλεκτρόνια.

Στο άνω μέρος της εικόνας φαίνεται ένας απλός επιταχυντής με ακόλουθο πεδίο, ενώ στο μεσαίο τμήμα της εικόνας φαίνεται ένα ακόλουθο πεδίο με μορφή διακροτήματος που παράγεται με δύο λέιζερ τα οποία έχουν ελαφρά διαφορετικές συχνότητες.

Στο κάτω μέρος της εικόνας φαίνεται ένα αυτοδιαμορφούμενο ακόλουθο πεδίο με λέιζερ που παράγεται όπως φαίνεται από ένα παλμό μεγάλου μήκους. Ο παλμός μόνος του εξελίσσεται και παίρνει τη μορφή ενός διακροτήματος. Το πείραμα από τον Malka και τους συνεργάτες του χρησιμοποιεί ένα συνδυασμό της κάτω και της μεσαίας μορφής της εικόνας 2, με τον οποίο αποφεύγουν τις αστάθειες που οφείλονται σε βραχείς παλμούς. 

Η απλή τεχνική  που αντιστοιχεί στην άνω μορφή της εικόνας δεν έχει χρησιμοποιηθεί μέχρι σήμερα κυρίως λόγω των απαιτήσεων του λέιζερ που χρειάζονται. Ο παλμός πρέπει να είναι αρκετά βραχύς ώστε να χωράει σε μισό μήκος κύματος του πλάσματος, αλλά να μεταφέρει αρκετή ενέργεια, ώστε να διεγείρει τα ταλαντούμενα ηλεκτρόνια του πλάσματος σε σχετικιστικές ταχύτητες.  Αυτά τα ηλεκτρόνια πρέπει να είναι πολύ γρήγορα ώστε μερικά εξ αυτών να προλαβαίνουν το ακόλουθο πεδίο, να παγιδεύονται σ' αυτό και να επιταχύνονται από αυτό. Η κατάσταση αυτή παρομοιάζεται με εκείνη όπου ο αφρός ενός κύματος στον ωκεανό παρασύρεται προς τα κάτω από το μέτωπο του κύματος που κατεβαίνει.

Η Γαλλική ομάδα που συμμετέχει στο πείραμα κατάφερε να παράγει παλμούς με ένέργεια 1 J σε διάρκεια 30 femtoseconds (30 TW στιγμιαίας ισχύος). Όμως για να είναι χρησιμοποιήσιμη η τεχνική αυτή πρέπει ο παλμός να γίνει αρκετά πιο σύντομος. Γι αυτό επιλέχτηκε όπως είπαμε και πιο πάνω ένας συνδυασμός της μεσαίας και της κάτω τεχνικής που εικονίζονται στην εικόνα 2.   

Οι ερευνητές της ομάδας πιστεύουν ότι ενέργειες της τάξης των 10⁹ eV δεν είναι μακριά και αποτελούν ένα μεγάλο βήμα προς το μέτωπο των υψηλών ενεργειών.

Ο Malka και οι συνεργάτες του, εκτός από την χρήση της τεχνικής τους για επιταχυντές, βλέπουν παράλληλα και διάφορες άλλες εφαρμογές, όπως την παραγωγή από τα επιταχυμένα ηλεκτρόνια, βραχύβιων παλμών ακτίνων Χ μεγάλης έντασης που θα χρησιμοποιηθούν σε βιολογικές έρευνες και στην κρυσταλλογραφία.