Fizyka na biurku: jak ośmiogodzinny rekord w Berkeley przybliża erę dostępnych akceleratorów

Akceleratory cząstek przez długi czas pozostawały domeną gigantycznych laboratoriów narodowych. Aby rozpędzić elektrony do wymaganych prędkości, fizycy potrzebują kilometrowych tuneli i budżetów porównywalnych z PKB małych państw. A gdyby tak potężne narzędzie do badania materii mogło zmieścić się w zwykłym uniwersyteckim laboratorium?

Specjaliści z centrum BELLA w Berkeley Lab są o krok od urzeczywistnienia tej wizji. Zademonstrowali oni działanie laserowo-plazmowego akceleratora (LPA), który zachował stabilność przez osiem godzin. W kontekście tej technologii taki wynik stanowi ogromny krok naprzód. Wcześniej podobne urządzenia przypominały kapryśne bolidy wyścigowe: osiągały rekordowe parametry, ale psuły się lub wymagały ręcznej regulacji co dziesięć-piętnaście minut.

Gdzie kryje się sekret tak dużej wytrzymałości? Badacze zastosowali system aktywnego sprzężenia zwrotnego. Algorytmy komputerowe co sekundę analizują dziesiątki parametrów wiązki laserowej oraz plazmy, wprowadzając mikroskopijne korekty. Dzięki temu eksperyment naukowy przeobraził się w niezawodne narzędzie.

Dlaczego jest to dla nas ważne? Na bazie takich akceleratorów pracują lasery na swobodnych elektronach (FEL). Generują one promieniowanie rentgenowskie o niezwykłej jasności, co pozwala niemalże kręcić „filmy” pokazujące ruch cząsteczek podczas reakcji chemicznych lub proces wnikania wirusów do komórek.

Obecnie, chcąc przeprowadzić takie badanie, naukowiec musi złożyć wniosek z rocznym wyprzedzeniem i udać się na drugi koniec świata do jedynego na kontynencie synchrotronu. W przyszłości – i nie jest to już wizja science-fiction – taka diagnostyka może stać się dostępna w dużych ośrodkach medycznych lub przy produkcji zaawansowanych procesorów.

Czy jesteśmy gotowi na świat, w którym fizyka fundamentalna przestanie kojarzyć się z niebotycznymi kosztami i stanie się praktycznym narzędziem inżynierskim? Prawdopodobnie ta transformacja przyspieszy tempo opracowywania nowych leków i materiałów w stopniu, którego dziś nie potrafimy sobie wyobrazić. To prosta droga do demokratyzacji wielkiej nauki.

Fizyka wysokich energii oficjalnie opuściła gigantyczne tunele. Zespół badawczy z Centrum BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator) udowodnił, że kompaktowy akcelerator laserowo-plazmowy może pracować z niezawodnością maszyn przemysłowych. Podczas eksperymentu instalacja utrzymywała stabilną emisję przez 8 godzin, co wcześniej uznawano za fizycznie nieosiągalne dla systemów „biurkowych” ze względu na skrajną wrażliwość fal plazmowych na najmniejsze fluktuacje otoczenia.

Tradycyjne akceleratory cząstek, takie jak LHC czy LCLS-II, kosztują miliardy dolarów i zajmują obszary liczone w kilometrach. Technologia LPA-FEL wykorzystuje silny laser do generowania w plazmie „fali kilwaterowej”, na której elektrony „surfują”, nabierając ogromnej energii na dystansie zaledwie kilku centymetrów. Jednak do tej pory systemy te przypominały chimeryczne prototypy: dostarczały potężny impuls, lecz szybko ulegały rozregulowaniu wskutek rozszerzalności cieplnej i zużycia elementów optycznych.

Dlaczego to istotne i jak przybliża nas do „biurkowych” źródeł promieniowania rentgenowskiego

Klasyczne synchrotrony oraz XFEL (rentgenowskie lasery na swobodnych elektronach) to kolosalne obiekty o długości setek metrów lub kilometrów (przykładowo European XFEL mierzy 3,4 km). Ich koszt sięga setek milionów dolarów, przez co są dostępne wyłącznie dla największych ośrodków państwowych.

Akcelerator laserowo-plazmowy skraca dystans potrzebny do przyspieszenia z kilometrów do milimetrów i centymetrów. W przypadku podniesienia energii elektronów do poziomu ~500 MeV (co jest kolejnym celem zespołu), długość fali promieniowania spadnie do 20–30 nm (skrajny UV / miękki rentgen). W dalszej perspektywie możliwe jest osiągnięcie nawet twardego promieniowania rentgenowskiego.

Kompaktowy LPA-FEL mógłby pełnić rolę „biurkowego” lub gabinetowego źródła ultrakrótkich, jasnych i spójnych impulsów rentgenowskich. Zapewniłoby to dostęp dla:

• Uniwersytetów i niewielkich laboratoriów (w celu tworzenia „filmów molekularnych”, analizy dynamiki reakcji chemicznych, biologii czy inżynierii materiałowej).
• Przemysłu (kontrola jakości w branży półprzewodników, nanotechnologia).
• Medycyny i systemów bezpieczeństwa.Choć lasery dużej mocy wciąż są kosztowne, cała instalacja będzie wielokrotnie mniejsza i tańsza niż współczesne giganty. LPA mogą również pełnić funkcję wysokiej jakości inżektorów dla już istniejących dużych systemów XFEL, podnosząc ich wydajność.To milowy krok w przejściu od „naukowej ciekawostki” do realnie działającej technologii. Zespół gromadzi już dane potrzebne do dalszej optymalizacji stabilności oraz jasności wiązki. Jeśli kolejny etap prac (osiągnięcie 500 MeV i miękkiego promieniowania rentgenowskiego) zakończy się sukcesem, możemy być świadkami prawdziwej rewolucji w dostępności potężnych źródeł światła.