9-centimetrová safírová kapilára z předchozího rekordu plazmových urychlovačů. Kredit: Berkeley Lab.

Velký hadronový srážeč v CERNu je sice boží a stále zůstává největší na nejdražší vědeckou mašinou na povrchu zemském, v současnosti se ale stále více mluví o malých, kapesních až miniaturních urychlovačích částic, které sázejí na šikovnou technologii a nepatrné rozměry.

Fyzici amerických laboratoří Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) z centra Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center nedávno použili novou technologii urychlování částic s laserovým vrtákem (laser drill) a dosáhli s ním nového rekordu v energii částic na plazmových urychlovačích. V trubici s plazmatem, tedy plynem, jehož atomy byly „oholeny“ o elektrony, o délce pouhých 20 centimetrů, urychlili elektrony na energii 7,8 miliard elektronvoltů, čili 7,8 GeV. Soudobé tradiční urychlovače přitom na něco takového potřebují stovky metrů konstrukce.

Safírová kapilára pro světový rekord plazmových urychlovačů. Kredit DESY.

Wim Leemans a jeho spolupracovníci směřují k hranici energie urychlených částic 10 GeV. Pro plazmové urychlovače to bude významný milník. Za touto hranicí se již otevírají dveře laboratoře a cesty k prvním praktickým aplikacím. Urychlovače částic jsou překvapivě užitečnými nástroji v celé řadě odvětví, od vědeckého výzkumu, přes průmysl, až po medicínu. Konvenční urychlovače pohánějí elektricky nabité částice pomocí radiofrekvenčních rezonátorů. Tato technologie je dnes velmi vyladěná a urychluje částice vážně skvěle. Vyžaduje ale nesmírnou spoustu energie, peněz a také prostoru.

Wim Leemans. Kredit: Berkely Lab.

Plazmové urychlovače jsou úplně jiné. Vysokoenergetický laser vzedme v plazmatu vlny, jako kdyby tam proletěl extrémně rychlý člun. V těchto vlnách brázdového pole jsou pak urychlovány částice mnohem silněji, než v těch nejlepších tradičních urychlovačích. Ještě zbývá vyřešit mnoho technických úskalí, ale plazmové urychlovače by měly být dramaticky menší i levnější, než ty stávající, čímž najdou mnoho nových využití.

Čím silnější je úvodní laserový pulz, tím více dotyčný plazmový urychlovač urychluje. Tým experimentu BELLA vypálil extrémně intenzivní a krátké pulzy infračerveného laserového paprsku, z nichž každý dosáhl maximálně cca 850 terawattů a trval 35 femtosekund, do trubice či spíše kapiláry ze safíru o průměru 0,8 milimetru, která byla naplněná vodíkem. Na vrcholu každého pulzu to bylo, jako kdyby někdo na pár femtosekund rozsvítil 8,5 bilionu 100-wattových žárovek. Pro vytvoření optimálního tunelu v plazmatu, který poté navádí laserový pulz samotného urychlování částic, badatelé použili unikátní technologii s 8-nanosekundovým laserovým pulzem, jenž prorazí plazma jako laserový vrták.

Leemans věří, že se díky optimalizaci a vyladění celého procesu nakonec dostanou na vysněnou energii urychlených částic 10 GeV, a také za tuto magickou hranici. Je fakt, že plazmové urychlovače nemohou urychlit tak velké množství částic jako konvenční urychlovače, ale zase by měly přinést celou řadu podivuhodných aplikací, které umožní jejich nepatrná velikost – jako třeba stolní rentgenové lasery. Podle Leemanse už je rozhodně čas přenést plazmové urychlování částic z laboratoří do světa venku.

Video:  Building a Tabletop Accelerator


Literatura
Berkeley Lab 25. 2. 2019, Physical Review Letters 122: 084801.