Scatto a 360 gradi dell'acceleratore AWAKE al CERN, Il laboratorio europeo di fisica delle particelle situato vicino a Ginevra, Svizzera. Massimiliano Brice, Julien Marius Ordan/2018 CERN

Per i fisici che vogliono studiare le particelle subatomiche che sono i mattoni fondamentali dell'universo e imparare come interagiscono, un acceleratore di particelle - un enorme dispositivo che accelera ed eccita le particelle e le fa scontrare - è uno strumento davvero importante. Immagina un acceleratore come un microscopio delle dimensioni di una montagna, capace di studiare le più piccole cose esistenti.

"Gli acceleratori sono i microscopi per eccellenza, "Mark J. Hogan, un fisico dello SLAC National Accelerator Laboratory di Menlo Park, California, spiega in una mail. "Il loro potere di risoluzione è proporzionale all'energia dei fasci di particelle. Le macchine attuali che operano alla frontiera energetica sono monumenti dell'ingegneria umana. Queste macchine hanno un'estensione di decine di chilometri ma controllano i loro raggi a frazioni del diametro di un capello umano. "

Ecco perché con un acceleratore, più grande è sempre stato meglio. Se sei anche un appassionato di scienza occasionale, probabilmente hai sentito parlare del grande acceleratore di papà di tutti loro, il Large Hadron Collider (LHC) al CERN, Il laboratorio europeo di fisica delle particelle vicino a Ginevra, Svizzera. Forse la macchina più complessa mai creata, l'LHC ha un enorme, Pista di 17 miglia (27,35 chilometri) che utilizza per accelerare le particelle. Gli scienziati hanno utilizzato l'LHC nel 2012 per osservare il bosone di Higgs, una particella che aiuta a spiegare perché altre particelle hanno massa e perché le cose stanno insieme.

Più piccolo e meno costoso

Un problema con acceleratori di particelle davvero grandi, anche se, è che sono incredibilmente costosi e consumano enormi quantità di elettricità. L'LHC, Per esempio, costa $ 4,1 miliardi solo per costruire. Quindi ciò che i fisici vorrebbero davvero avere è un modo per portare a termine il lavoro che non sia così grande e costoso.

Ecco perché c'è stata così tanta eccitazione per la notizia che i ricercatori del CERN hanno testato con successo un nuovo modo di accelerare gli elettroni ad alte energie attraverso l'accelerazione del campo di scia di plasma guidato da protoni. Il metodo prevede l'utilizzo di intensi gruppi di protoni per generare onde nel plasma, una zuppa di atomi ionizzati. Gli elettroni quindi cavalcano le onde per accelerare, come se fossero surfisti su scala subatomica.

In un test eseguito con l'Advanced Wakefield Experiment (AWAKE) a maggio, I ricercatori del CERN sono riusciti a utilizzare il metodo per accelerare gli elettroni a energie di 2 gigaelettronvolt (GeV) su una distanza di 10 metri (32,8 piedi).

Ecco un video in cui Edda Gschwendtner, Capo progetto del CERN AWAKE, spiega il concetto di acceleratori, e perché un acceleratore di wakefield al plasma guidato da proteine ​​è una svolta così importante:

Altri ricercatori hanno salutato il successo del CERN. "Questa tecnica potrebbe consentire alle strutture del CERN di avere un nuovo modo compatto per produrre elettroni ad alta energia che potrebbero entrare in collisione con obiettivi fissi o fasci di protoni per creare un nuovo strumento per i fisici delle particelle per comprendere le particelle fondamentali e le forze che governano le loro interazioni, "dice Hogan.

"Questo risultato è importante per il futuro della fisica delle alte energie in quanto potrebbe aprire la strada a un acceleratore di elettroni compatto da 1 TeV basato sull'accelerazione del campo di scia del plasma, " spiega James Rosenzweig, un professore di acceleratore e dinamica del fascio alla UCLA, e direttore del Particle Beam Physics Lab dell'università. "Dal punto di vista dell'introduzione dei principi fisici, questo esperimento è il primo:introduce wakefield al plasma eccitati da fasci di protoni.

"Il vantaggio chiave trovato negli acceleratori di plasma si trova nei grandi campi elettrici in accelerazione che possono essere supportati - fino a 1, 000 volte più grande rispetto agli acceleratori convenzionali. L'uso di protoni in linea di principio consente fasci con energia totale disponibile molto più grande per l'accelerazione, " dice Rosenzweig via mail.

Il team di Hogan allo SLAC ha sviluppato un diverso metodo di accelerazione del wakefield al plasma, che si basa su grappoli di elettroni inseriti nel plasma per creare onde su cui possono cavalcare altri elettroni. Ma qualunque sia il metodo utilizzato, il plasma offre un modo per superare i vincoli degli acceleratori convenzionali.

"Con tutta la loro precisione e successo, anche se, queste macchine si stanno avvicinando ai limiti di dimensioni e costi che la società potrà permettersi, " dice Hogan. "Per le macchine che accelerano gli elettroni, la dimensione è correlata alla velocità massima con cui possiamo aggiungere energia alle particelle. Utilizzando tecnologie convenzionali con strutture metalliche, non possiamo aumentare ulteriormente questo tasso poiché i campi diventano così grandi che i materiali si rompono sotto le forze estreme. un plasma, un gas ionizzato, è già scomposto e può supportare campi molto più grandi e, se manipolato correttamente, può aggiungere energia ai fasci di particelle a una velocità molto maggiore e quindi, in linea di principio, raggiungere la frontiera dell'energia con un ingombro ridotto.

"Molti gruppi hanno dimostrato che possiamo usare i plasmi per creare grappoli energetici di elettroni, ", afferma Hogan. "Gran parte della ricerca di prossima generazione è orientata a dimostrare che possiamo fare questo e allo stesso tempo realizzare travi con qualità e stabilità equivalenti alle tecnologie convenzionali. Altri problemi di ricerca stanno pensando a come mettere insieme molte plasmacellule consecutive consecutivamente per raggiungere energie molto elevate. Ulteriori sfide sono capire come accelerare i positroni, l'antimateria equivalente agli elettroni in un plasma. Guardando avanti, molti gruppi, compresi i miei colleghi dello SLAC sperano di sviluppare fasci ad alta energia con qualità superiori che apriranno la porta a nuovi strumenti scientifici nel prossimo decennio e oltre".

Un portavoce di AWAKE ha detto alla rivista Science che i ricercatori sperano di sviluppare la tecnologia nei prossimi cinque anni, al punto da poter essere utilizzato per la ricerca sulla fisica delle particelle.

Ora è interessante

Come precisa la rivista Horizon dell'Unione europea, gli scienziati hanno anche immaginato di costruire un acceleratore di particelle convenzionale che è tre volte più grande dell'LHC. Il dispositivo avrebbe la capacità di frantumare insieme le particelle energizzandole con l'equivalente di 10 milioni di fulmini.