Самый маленький в мире ускоритель частиц в 54 миллиона раз меньше Большого адронного коллайдера

Недавно ученые впервые запустили самый маленький в мире ускоритель частиц размером с небольшую монету. Это может расширить горизонты в различных областях, включая использование крошечных ускорителей частиц для медицинских процедур внутри пациентов.

Этот новый устройство, известное как нанофотонный ускоритель электронов (NEA), состоит из миниатюрного микрочипа, внутри которого находится еще меньшая вакуумная трубка, состоящая из тысячи отдельных "столбов". Ученые могут ускорять электроны, направляя на эти столбы лазерные лучи малых размеров.

Главная ускорительная труба имеет длину около 0,5 миллиметра, что в 54 миллиона раз короче кольца длиной 27 километров, используемого в Большом адронном коллайдере (БАК) в Швейцарии, который является самым большим и мощным ускорителем частиц в мире. БАК обнаружил множество новых частиц, включая бозон Хиггса (или частицу Бога), призрачные нейтрино, очаровательные мезоны и загадочную частицу X.

Внутренний канал крошечного туннеля имеет ширину всего около 225 нанометров. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет от 80 000 до 100 000 нанометров.

В исследовании, опубликованном 18 октября в журнале Nature, ученые из Университета Эрлангена-Нюрнберга имени Фридриха-Александра (FAU) в Германии использовали это миниатюрное устройство для ускорения электронов с энергией 28,4 килоэлектронвольта до 40,7 килоэлектронвольта, что представляет собой увеличение на примерно 43%. Это первый успешный запуск нанофотонного ускорителя электронов, который был впервые предложен в 2015 году. Ученые из Стэнфордского университета также проводили аналогичные эксперименты со своим мини-ускорителем, но результаты все еще находятся на рассмотрении.

"Впервые мы можем говорить о ускорителе частиц на микрочипе", — сказал соавтор исследования Рой Шайло, физик из FAU.

БАК использует более 9000 магнитов для создания магнитного поля, которое ускоряет частицы практически до скорости света. АЯЭ также создает магнитное поле, но делает это, направляя лучи света на столбы вакуумной трубки, что усиливает энергию в нужном направлении, хотя результирующее энергетическое поле значительно слабее.

Электроны, ускоренные с помощью NEA, обладают энергией, на несколько порядков меньшей, чем частицы, ускоренные в БАК. Тем не менее, исследователи верят, что, используя альтернативные материалы или комбинируя несколько таких устройств рядом друг с другом, можно дополнительно увеличить скорость частиц. Все равно, они никогда не достигнут таких высоких энергий, как в больших коллайдерах.

Однако это может быть весьма полезным, поскольку главной целью таких ускорителей является использование энергии, выделяемой ускоренными электронами, в медицинских процедурах, заменяя более разрушительные виды лучевой терапии, применяемые для лечения рака. "Идеальное применение — разместить ускоритель частиц на эндоскопе и проводить лучевую терапию непосредственно в пораженном участке тела", — отметил ведущий автор исследования Томаш Хлоуба, физик из FAU. Однако этот путь еще предстоит пройти.