Создан самый маленький в мире ускоритель частиц — размером меньше монеты
Нанофотонный ускоритель электронов состоит из микрочипа, в котором находится крошечная ускорительная трубка длиной всего несколько миллиметров. На этой фотографии показаны размеры устройства в сравнении с копейкой
Все мы знаем про БАК, Большой адронный коллайдер, расположенным рядом с Женевой в гигантском тоннеле на глубине сотни метров. Это одна из самых больших инженерных конструкций в мире, и её постройка обошлась Европе в $6 млрд (а могла быть и дороже, просто часть тоннелей существовала на этом месте и раньше).
А недавно немецкие ученые запустили самый маленький в истории ускоритель частиц. Крошечный технологический триумф размером меньше монеты и придает новый смысл рассказу о Левше, подковавшем блоху.
Новая машина известна как «нанофотонный ускоритель электронов» (NEA). Она состоит из небольшого микрочипа, в котором расположена еще меньшая вакуумная трубка, состоящая из тысяч отдельных «столбиков». Исследователи могут ускорять электроны, направляя на эти столбы микроскопические лазерные лучи.
Длина главной ускорительной трубы составляет примерно 0,5 миллиметра, что в 54 миллиона раз короче, чем основное кольцо БАК (~27 километров).
Большой адронный коллайдер за счет своих размеров (и, соответственно, мощности) смог обнаружить целый ряд новых частиц, включая бозон Хиггса («частицу Бога»), призрачные нейтрино, «очаровательный» мезон и даже загадочную частицу X.
Что тогда можно сделать с коллайдером, размер которого в десяток раз меньше 5-рублевой монетки?
Внутренняя часть крошечного туннеля здесь имеет ширину всего около 225 нанометров. По данным Национального института нанотехнологий, толщина волоса человека в среднем составляет от 80 000 до 100 000 нанометров. То есть туннель нового адронного коллайдера в 400 раз тоньше человеческого волоса.
Собственно, в этом и суть. Рассчитывается, что новый ускоритель сможет использоваться внутри человеческого тела. В различных новых медицинских процедурах, требующих облучения пациентов. NEA засечет, что именно происходит внутри мягких тканей, и какое влияние оказывает внешнее излучение. А при необходимости — ускорять и интенсифицировать его. Скажем, если в определенном небольшом регионе развиваются раковые клетки, такой ускоритель сможет «выжечь» его изнутри, не повлияв на остальное тело. Получается более щадящий вариант лучевой терапии.
Ведущий автор исследования Томаш Хлоуба, физик из Университета Эрлангена — Нюрнберга, пишет: «Наша мечта — разместить такой ускоритель частиц на эндоскопе, чтобы иметь возможность проводить лучевую терапию непосредственно в пораженном участке тела». Но пока что до этого еще далеко. Впрочем, это только один из очевидных предложенных вариантов. В перспективе наверняка найдутся и другие способы использования этого младшего брата БАКа.
В новом исследовании, опубликованном 18 октября в журнале Nature, ученые из Университета Эрлангена-Нюрнберга (FAU) в Германии использовали крошечное изобретение для ускорения электронов с энергии 28 кэВ до 40 кэВ, то есть на 43%.
В своем заявлении ученые написали, что это первый случай успешного запуска нанофотонного ускорителя электронов, который впервые был теоретически предложен в 2015 году. «Мы впервые можем говорить об ускорителе частиц на микрочипе».
БАК для создания магнитного поля использует более 9000 сверхмощных магнитов, что позволяет ускорить частицы примерно до 99,9% скорости света. NEA также создает магнитное поле, но работает, направляя лучи света на столбы вакуумной трубки; это очень аккуратно усиливает энергию, не рассеивая её, но результирующее энергетическое поле выходит намного слабее.
Электроны, ускоренные NEA, имеют лишь около одной миллионной доли той энергии, которую имеют частицы, ускоренные Большим адронным коллайдером. Однако исследователи полагают, что они могут улучшить конструкцию NEA, используя другие материалы или расположив несколько трубок рядом друг с другом, что позволит ускорять частицы сильнее. Хотя понятно, что они никогда не достигнут тех же энергетических уровней, что и в крупных коллайдерах.
