Urychlovače částic jsou velice drahá zařízení obřích rozměrů, jež slouží ke zvýšení kinetické energie elementárních částic. Například nejznámější a zároveň největší z nich, ženevský LHC, který urychluje protony a jádra těžkých prvků, přišel na několik miliard švýcarských franků a průměr jeho prstence dosahuje úctyhodných 27 kilometrů.
Elektronové urychlovače
Urychlovače elektronů bývají menší a levnější, i když "menší" a "levnější" mohou být v tomto případě dost relativní pojmy. I tak jde o rozměrná i nákladná technická zařízení.
Snímek skleněné části s urychlovačem na špičce prstu.
To se ovšem netýká elektronového urychlovače, který sestrojili postgraduální studenti Edgar Peralta a Ken Soong z kalifornské Stanfordovy univerzity. Podstatnou část elektronového urychlovače se jim totiž podařilo umístit do jednoho jediného skleněného čipu! Tím dramaticky snížili velikost urychlovače, neboť celý čip zaujímá objem menší než pověstné zrnko rýže.
Jelikož v návrhu a konstrukci urychlovače použili obyčejné komerční lasery a běžně užívané výrobní postupy, jsou Peralta se Soongem přesvědčeni, že svým počinem připravili půdu pro vývoj zcela nové generace "stolních" urychlovačů.
Urychlování ve dvou fázích
Dnešní urychlovače využívají k urychlování elektronů převážně mikrovlny, což zrovna není příliš snadný ani laciný způsob. Nově zkonstruovaný čip naproti tomu pracuje s obyčejnými lasery.
Elektrony jsou urychlovány ve dvou etapách. Nejprve jsou částice postupně urychleny téměř na rychlost světla, k čemuž je nutné stále použít konvenční urychlovač. Teprve pak jsou zavedeny do čipu, vyrobeného ze speciálního skla z oxidu křemíku, kde je jim udělen další impuls. Jejich rychlost ovšem zůstává stejná, uvnitř čipu se již zvyšuje jen jejich energie.
Co se v čipu vlastně děje?
Jakmile elektrony vletí do čipu, jsou nasměrovány do miniaturního kanálku, ve kterém se odehrává vše podstatné. Kanálek je opravdu titěrně malý, napříč měří jen pouhých 500 nanometrů, do lidského vlasu by se tedy vešel přinejmenším stokrát.
Z boku je elektronový svazek osvětlován infračerveným světlem laseru, jehož vlnová délka se rovná přesně výšce kanálku. Světelné vlny kolem sebe vytvářejí elektrická pole, jež rychle oscilují z jedné strany na druhou a podle toho elektronům buď dodávají nebo naopak odnímají energii (pozitivní urychlující a negativní brzdící pole).
Kdyby byl vnitřek kanálku hladký, tak by v něm zřejmě k žádnému zásadnímu zvýšení energie elektronů nedošlo. Jak se říká, nula od nuly pojde. S něčím takovým vědci samozřejmě počítali. Vše záleží na tom, jak přesně se všechny veličiny ve hře (rozměry kanálku, drážek, vlnová délka světla atd.) sladí dohromady.
Zatím 300 MeV/m
Testovaný výkon nového typu urychlovače je velkým příslibem do budoucna. Nedávno provedené pokusy s čipy s kanálky o 500 drážkách ukázaly, že přírůstek energie elektronů činí na délce jednoho metru až 300 milionů elektronvoltů, čímž byla zhruba desetkrát překonána akcelerace Stanfordova lineárního urychlovače SLAC, největšího dnešního urychlovače elektronů.
"Naším hlavním cílem je při tomto uspořádání dosáhnout miliardy elektronvoltů na metr a už při prvním experimentu jsme ve třetině cesty," poznamenává optimisticky Robert Byer, jeden z iniciátorů celého projektu. Nezbývá než učinit další potřebný krok.
Fyzika, medicína, biologie, ale i materiály a skenery
Přes nesporný úspěch mají ovšem výzkumníci před sebou ještě dost práce. Aby vytvořili první skutečně miniaturní urychlovač, je třeba vyřešit první etapu urychlování elektronů, k níž stále, jak bylo řečeno výše, dochází v klasickém "velkém" urychlovači. Na řešení tohoto problému intenzivně pracují se svými německými kolegy z Institutu Maxe Plancka pro kvantovou optiku.
Prozatím celé urychlovací zařízení měří se vším všudy na délku asi třicet metrů. Ale i tak jde ve srovnání s 3,2 kilometru dlouhým SLACem o významný pokrok.
Všeobecně se očekává, že miniaturní urychlovače by mohly najít uplatnění nejen při fyzikálním výzkumu částic, ale i v celé řadě jiných odvětví, ať už při vývoji nových zobrazovacích a léčebných zařízení v medicíně, bezpečnostních skenerů, nebo v biologických a materiálových vědách.
Více o výzkumu v tomto anglickém PDF.
