Американские физики создали ускоритель элементарных частиц, который уместился на кремниевом чипе размером несколько несколько десятков микрон. Устройство, основанное на технологии лазерного диэлектрического ускорения, в перспективе может стать основой для компактных и мощных ускорителей, которые найдут применение в медицине, материаловедении, биотехнологии и многих других областях. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

В «обычных» ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер, элементарные частицы разгоняют с помощью электрического поля. Но для того, чтобы получить частицы высоких энергий, ускорители должны быть очень длинными, поскольку градиент больше нескольких десятков мегаэлектронвольт на метр обеспечить не удается — в камере возникнет пробой. Можно обойти эту проблему, если построить кольцевой ускоритель, но тогда потребуются мощные магниты, чтобы «поворачивать» частицы. Кроме того, значительная часть «закачанной» в частицы энергии при этом будет высвечиваться за счет синхротронного излучения. Чтобы минимизировать потери, и кольцевые ускорители приходится строить огромных размеров.

Чтобы обойти эту проблему, физики разрабатывают новые методы ускорения частиц. К ним относятся, в частности, диэлектрическое лазерное ускорение и лазерно-плазменное ускорение, а также ускорение на базе терагерцовых импульсов. Для плазменных методов ускорения не существует ограничения на величину ускоряющих полей, и темп ускорения для них может достигать 100 гигаэлектронвольт на метр, однако этот способ не лишен недостатков, один из самых важных — сложность создания стабильного и эффективного лазерно-плазменного ускорения на дистанции, превышающей несколько миллиметров.

Группа под руководством Елены Вучкович (Jelena Vučković) из ускорительной лаборатории Стэнфордского университета решили использовать диэлектрическое лазерное ускорения. В этом случае частицы ускоряются за счет электрического поля, которое возникает над специальной прозрачной бороздчатой структурой, подсвеченной снизу поляризованным лазерным лучом.

Вучкович и его коллеги смогли собрать интегрированный ускоритель на кремниевом чипе, где электроны разгонялись за счет подсветки инфракрасным лазером, для которого кремний прозрачен. Ускоритель на чипе смог добавить электронам лишь 0,915 килоэлектронвольта энергии, но на дистанции лишь в 30 микронов. В пересчете на метр это дает градиент в 30,5 мегаэлектронвольт на метр. В перспективе ученые рассчитывают «упаковать» тысячу таких ускорителей в одно устройство размером в несколько сантиметров и получить на выходе пучок частиц с энергией 1 мегаэлектронвольт.

Авторы исследования уже сейчас начинают думать о возможных применениях будущего ускорителя, в частности, о применении его для радиотерапии рака.

Комментарии

  1. Тurkish 06.01.2020 01:43 Permalink

    - Кыш, кыш отсюда!
    Физики разогнали электроны

Поддержали новость