מדעני המאיץ ב-CERN פיתחו טכנולוגית האצה של אלקטרונים בעזרת גלי פלזמה

חוקרים הדגימו שיטה חדשה להאצת אלקטרונים לאנרגיות גבוהות מאוד למרחקים קצרים

‘מאיץ ההדרונים הגדול’ (LHC) של הארגון האירופי למחקר גרעיני (CERN) סמוך לז’נבה נחשב למאיץ החלקיקים הגדול ביותר בעולם. המאיץ עצמו נמצא במנהרה מעגלית שאורכה 27 קילומטרים, בעומק של 175 מטרים מתחת לפני הקרקע בגבול המדינות צרפת-שוויץ. מאיץ זה סייע למדענים לחשוף את החלקיק בוזון-היקס, החלקיק האחרון שנחזה במסגרת המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים (ויקיפדיה). בעקבות גילוי החלקיק הזה, המטרה המדעית הראשית של פיזיקאים העוסקים בתחום של אנרגיה גבוהה כיום היא לזהות את המאפיינים של חלקיק חדש זה ולחשוף תופעות אחרות במסגרת אנרגיות גבוהות. כתוצאה מכך, התרחשו מספר התפתחויות מהירות בטכנולוגיות של מאיצי חלקיקים באנרגיה גבוהה. אולם, הטכנולוגיות המשמשות אותנו כיום ניתנות לשיפור ולהרחבה רק בעקבות השקעות כבירות. בשל כך, קיים צורך דחוף לפתח מאיצים באנרגיה גבוהה שיהיו זולים יותר.

צוות בינלאומי של פיזיקאים, העובדים במסגרת מיזם AWAKE (Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment) בסרן, דיווח כי הם הצליחו לערוך ניסוי פורץ דרך המדגים צורה חדשה להאצת אלקטרונים לאנרגיות גבוהות – ממצא שיוכל למזער באופן דרמטי בעתיד את הגודל הכולל של מאיצי חלקיקים ולהפחית את העלות שלהם. מאמר המתאר את הממצאים החשובים הללו פורסם לאחרונה בכתב המדעי Nature . “הטכנולוגיה החדשה תביא לשינוי פרדיגמה בפיתוח של מאיצי חלקיקים עתירי אנרגיה בעתיד”, אמר החוקר הראשי. “ההישג האחרון יוכל לאפשר למהנדסים להפחית באופן דרסטי את הגודל של מאיצי חלקיקים עתידיים, תוך הפחתת הכמויות הגדולות של המשאבים הכספיים הנדרשים לבנות ולהפעיל אותם”. ההתנגשויות של חלקיקים עתירי אנרגיה הנוצרות במתקנים כאלו מאפשרות לפיזיקאים לחקור את החוקים היסודיים ביותר של הטבע, תוך הספקת בסיס להתקדמויות במגוון נרחב של תחומים רבים”.
באופן כללי, ניסויים בתחום של פיזיקת חלקיקים מתבססים על שדות חשמליים מתנודדים, הנקראים בשם ‘חללים בתדר רדיו’, וכן מגנטים עוצמתיים המשמשים להאצת חלקיקים לאנרגיות גבוהות. בתור חלופה חסכונית יותר להאצת חלקיקים באופן יעיל יותר, הוצע מאיץ מסוג wakefield. במאיץ מסוג זה פיזיקאים מקרינים אלומה של אלקטרונים, פרוטונים או לייזר דרך פלזמה. אלקטרונים חופשיים בפלזמה נעים לעבר האלומה, יוצרים ריכוז יתר בתוכה, חוזרים אחורה ומתפרקים לכדי יצירת בועית מאחורי האלומה וכן שדות חשמליים עוצמתיים. אם מזריקים חלקיקים (למשל, אלקטרונים) נוספים לתוך השובל, הוא יכול להאיץ אותם במשך זמן קצר במסגרת שדה חשמלי החזק פי עשרה או יותר. במסגרת המחקר, הודגמה לראשונה פעילותו של מאיץ wakefield עבור פלזמה מבוססת פרוטונים. השדות החשמליים העוצמתיים, הנוצרים על ידי סדרות של מיקרו-אגידה (microbunches) של פרוטונים, נדגמו עם אגד של אלקטרונים. אלקטרונים אלו הואצו למהירות של עד 2 GeV בכעשרה מטרים של פלזמה תוך מדידה בעזרת ספקטרומטר מגנטי. לשיטה זו יש את הפוטנציאל להאיץ אלקטרונים לרמה של טרה-אלקטרון וולט (TeV, 1012 אלקטרון וולט) במסגרת שלב האצה יחיד.

המאמר אודות המחקר

הידיעה על המחקר