Ερευνητές πέτυχαν ασύλληπτο ρεκόρ ισχύος και ρεύματος σε μια δέσμη ηλεκτρονίων

Το εθνικό εργαστήριο SLAC στις ΗΠΑ έσπασε κάθε προηγούμενο ρεκόρ όσον αφορά την ισχύ μιας δέσμης ηλεκτρονίων, καταφέρνοντας να συγκεντρώσει ένα εξαιρετικά υψηλό ρεύμα περίπου 100.000 αμπέρ σε μια απειροελάχιστη στιγμή. Αυτό το εξαιρετικό αποτέλεσμα, το οποίο υπερβαίνει την ένταση του πεδίου που είχε επιτευχθεί προηγουμένως κατά πέντε φορές, επιτεύχθηκε χάρη στον γραμμικό επιταχυντή FACET-II.

Η νέα τεχνική που ανέπτυξε η ομάδα επιτρέπει την καθοδήγηση αλυσίδων ηλεκτρονίων μήκους χιλιοστού κατά μήκος μιας μαγνητικής διαδρομής, συμπιέζοντάς τες ώστε να παράγουν ισχύ μεγαλύτερη από 1 petawatt σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα: ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.

Οι επιταχυντές σωματιδίων αποτελούν θεμελιώδες εργαλείο για τη σύγχρονη Φυσική εδώ και σχεδόν έναν αιώνα. Χρησιμοποιούν ταλαντευόμενα ηλεκτρομαγνητικά πεδία για να ωθήσουν φορτισμένα σωματίδια σε ταχύτητες κοντά σε αυτές του φωτός. Όταν τα σωματίδια αυτά αλλάζουν κατεύθυνση, το πεδίο τους εκπέμπει φωτόνια ακτίνων Χ υψηλής ενέργειας, τα οποία είναι χρήσιμα για τη λήψη εικόνων υψηλής ανάλυσης υλικών. Εάν ένα άλλο ηλεκτρομαγνητικό «τείχος» τοποθετηθεί μπροστά από αυτή τη δέσμη, η ενέργεια που προκύπτει από τη σύγκρουση των πεδίων θα μπορούσε να δημιουργήσει νέα σωματίδια από το «κβαντικό κενό».

Για να δημιουργηθούν πιο έντονες λάμψεις φωτός ή πιο ενεργητικές συγκρούσεις, απαιτείται περισσότερη ενέργεια, η οποία μπορεί να ληφθεί αυξάνοντας την ταχύτητα των σωματιδίων ή φροντίζοντας ώστε όλη η ενέργειά τους να απελευθερώνεται σε μικρότερο χρονικό διάστημα. Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν ήδη με σχεδόν μέγιστη ταχύτητα ενώ «σερφάρουν» στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, περαιτέρω αύξηση της ταχύτητας δεν είναι δυνατή. Ομοίως, δεν αποτελεί λύση το να αναγκαστούν τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο πίσω μέρος της ομάδας να επιταχυνθούν για να φτάσουν τα μπροστινά.

Ωστόσο, υπάρχει και μια άλλη προσέγγιση. Αν και όλα τα ηλεκτρόνια τρέχουν με την ίδια ταχύτητα, κατανέμονται κατά μήκος της κλίσης ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος καθώς περνούν μέσα από τη σήραγγα του επιταχυντή, με κάποια να βρίσκονται «χαμηλά» και άλλα «ψηλά». Αυτά που βρίσκονται στην κορυφή έχουν περισσότερη ενέργεια όταν αποκλίνουν από την τροχιά τους. Για να επιβραδύνουν αυτά που βρίσκονται στο κάτω μέρος, οι ερευνητές χρειάζονταν έναν τρόπο να τα «φρενάρουν» ελαφρώς.

Μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος είναι η χρήση ενός μαγνητικού εμποδίου που αναγκάζει τα λιγότερο ενεργητικά σωματίδια να ακολουθήσουν μια ελαφρώς μακρύτερη διαδρομή, παρόμοια με ένα σικέιν σε μια πίστα αγώνων που θα ανάγκαζε ένα λιγότερο ισχυρό αυτοκίνητο να κάνει ζιγκ ζαγκ, ενώ ένα πιο ισχυρό αυτοκίνητο θα μπορούσε να προχωρήσει ευθεία.

Το πρόβλημα είναι ότι κάθε απόκλιση στη διαδρομή αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να χάνουν πολύτιμη ενέργεια με τη μορφή φωτονίων ακτίνων Χ υψηλής συχνότητας. Για να αντισταθμίσει αυτή την απώλεια, η ερευνητική ομάδα εισήγαγε μια δεύτερη μαγνητική συσκευή που ονομάζεται «αναδρομολογητής» στο κέντρο των διατάξεων, η οποία σπρώχνει τα ηλεκτρόνια μπρος-πίσω γρήγορα προς μια άλλη κατεύθυνση. Ταυτόχρονα, εισήχθη μια λάμψη φωτός από ένα laser από ζαφείρι για τον έλεγχο της κατανομής των ηλεκτρονίων.

Ο έγκαιρος συνδυασμός κυματισμών και φωτός διαμόρφωσε την κατανομή της αλυσίδας καθώς επιταχύνθηκε και συμπιέστηκε επανειλημμένα, αντικαθιστώντας μέρος της χαμένης ενέργειας και αναγκάζοντας έναν αριθμό ηλεκτρονίων να επικαλύπτονται σε χώρο μόλις του ενός τρίτου του μικρομέτρου.

Το τελικό αποτέλεσμα ήταν ένας ισχυρός «παγιδευμένος κεραυνός» που δημιουργήθηκε με μια τεχνική που θα μπορούσε να βελτιωθεί περαιτέρω στο μέλλον, περιορίζοντας ενδεχομένως περισσότερα ηλεκτρόνια υψηλής ταχύτητας σε ακόμη μικρότερο χώρο.

[via]