Akceleratory cząstek są coraz większe, potężniejsze, ale i coraz droższe. Fizycy poszukują więc nowych sposobów na przyspieszanie cząstek. Jednym z pomysłów jest liniowy akcelerator z odzyskiwaniem energii (ERLenergy recovery linear accelerator). Prototypowy akcelerator tego typu z powodzeniem przeszedł kluczowy test.

ERL wykorzystują energię spowalniających cząstek do nadania przyspieszenia kolejnym cząstkom.

Konwencjonalne akceleratory możemy podzielić na dwa rodzaje. Pierwszy z nich to akceleratory liniowe, gdzie wykorzystuje się silne pola elektryczne. Pola te są ciągle włączane i wyłączane, dzięki czemu cząstki można przyspieszać. Otrzymuje się tam gęste wiązki, ale zawierające stosunkowo niewiele cząstek.

Z kolei w akceleratorach kołowych cząstki przyspieszane są przez elektromagnesy, które zakrzywiają ich tor, dzięki czemu cząstki mogą miliony razy krążyć po okręgu. Można tam ciągle wstrzykiwać nowe cząstki, dzięki czemu uzyskujemy wiązkę zawierającą bardzo dużo cząstek. Jednak wiązka taka rozprasza się w miarę przesuwania się po okręgu i jest mniej gęsta od tej z akceleratora liniowego.

Akcelerator ERL, © Emily Cooper

Profesor Georg Hoffstaetter, który stoi na czele zespołu badawczego prototypowego akceleratora CBETA (Cornell-BNL ERL Test Accelerator), będącego wspólnym przedsięwzięciem Cornell Universityi Brookhaven National Laboratory, mówi, że ERL łączą zalety obu typów akceleratorów. Mamy dwa tradycyjne typy akceleratorów: liniowy, który dostarcza bardzo gęste wiązki o niskiej energii oraz akceleratory kołowe, gdzie wiązki mają dużą energię, ale są mniej gęste. W ERL mamy obie zalety: gęstą wiązkę o dużej energii.

Doprowadzenie do zderzeń cząstek nie jest łatwe, gdyż są one niezwykle małe. Jednak im bardziej gęsta wiązka i im wyższa energia, tym więcej zderzeń i pochodzących z nich danych.

Na pomysł ERL wpadł już w 1965 roku fizyk Maury Tigner z Cornell University. Jednak dopiero w ostatnich latach pojawiła się technologia na tyle zaawansowana, by można było myśleć o ich zbudowaniu.

W ERL cząstki są początkowo rozpędzane jak w typowym akceleratorze liniowym. Następnie magnesy zaginają je i cząstki wracają na początek. W CBETA cząstki dokonują ośmiu pełnych „przejść” przez akcelerator. W czasie czterech pierwszych elektrony są przyspieszane, zyskują energię. Jednak po czwartym przejściu są rozsynchronizowane i pola elektryczne, zamiast jest przyspieszać, spowalniają je. Cząstki tracą więc energię, ale nie jest ona marnowana. Przechodzi ona przez pole elektryczne, „popychając” kolejny przyspieszający elektron. Po czwartym etapie spowalniania, zatem po ósmym pełnym przejściu przez akcelerator, cząstki stają się bezużyteczne.

CBETA może pochwalić się wyjątkowym osiągnięciem. Inne ERL również dowiodły, że są w stanie odzyskiwać energię, ale żaden z nich nie przeszedł dotychczas testu 8-pass energy recovery. ERL są bardzo trudne w obsłudze. Fakt, że przeszli ten test za pomocą magnesów stałych to znaczące osiągnięcie. Jestem bardzo podekscytowany. To przełom, mówi Ryan Bodenstein z Belgijskiego Centrum Badań Jądrowych.

Sukces CBETA przyszedł w samą porę. Europejscy, japońscy i amerykańscy fizycy debatują właśnie o tym, jakie akceleratory należy zbudować w przyszłości. Udany 8-pass energy recovery test może ich skłonić do wzięcia pod uwagę konstrukcji ERL. Są one bowiem mniejsze, zużywają mniej energii elektrycznej, są więc tańsze w budowie i utrzymaniu. Już teraz wiadomo, że akcelerator ERL powstanie w Brookhaven.

Przed ERL wciąż stoją wyzwania. Nie wiadomo, jak będzie sprawował się pełnowymiarowy akcelerator. Zderzanie elektronów z jonami czy innymi cząstkami może zaburzyć bardzo delikatną równowagę czasową momentu przekazania energii pomiędzy cząstkami. Myślę, że dalej należy prowadzić badania w tym kierunku. Nawet jeśli okaże się, że w rzeczywistości to nie zadziała, to sądzę, że dowiemy się wielu bardzo istotnych rzeczy, mówi Bodenstein.

Od kilku lat w świecie akceleratorów wiele się dzieje. W 2018 roku świat obiegła wiadomość o zaakceptowaniu celów naukowych dla akceleratora zderzeniowego EIC, dowiedzieliśmy się, że planowany od dekady akcelerator ILC może jednak nie powstać, z kolei budowę nowych akceleratorów zaproponowały CERN oraz konsorcjum EuPRAXIA, a naukowcy stworzyli akcelerator w układzie scalonym. Nie powinniśmy też zapominać o niezwykłym kompaktowym akceleratorze na laserze BELLA.

 

 

Źródło: Spectrum IEEE
0 0 vote
Article Rating