Yeni Lazer Tekniği, Daha Güçlü ve Daha Küçük Parçacık Hızlandırıcılar Üretmeyi Mümkün Kılacak!

Bilim insanları, son derece yüksek enerjilere hızlandırılmış elektronları gözlemleyerek, evrenimizi oluşturan parçacıklar hakkında ipuçlarını ortaya çıkarabiliyor.

Ancak, elektronların laboratuvar ortamında bu kadar yüksek enerjilere hızlanması zordur: Tipik olarak, elektronlar ne kadar enerjik ise, parçacık hızlandırıcısı da o kadar büyük olur. Örneğin, hatalı bir şekilde "Tanrı Parçacığı" olarak da anılan ve Evren'deki kütlenin bir kısmından sorumlu olan Higgs bozonunu keşfetmek için İsviçre'deki CERN laboratuvarında bilim insanları yaklaşık 27 kilometre uzunluğunda bir parçacık hızlandırıcı kullandılar.

Peki ya parçacık hızlandırıcılarını küçültmenin bir yolu varsa? Ya çok daha kısa mesafelerde çok daha yüksek yüksek enerjili elektronlar üretebilirsek?

Physical Review Letters dergisinde yayınlanan bir makalede, Rochester Üniversitesi Lazer Enerjisi Laboratuvarı'ndan (LLE) bilim insanları, yoğun lazer ışığını, elektronları çok kısa mesafelerde rekor enerji düzeylerine kadar hızlandıracak bir şekilde şekillendirmek için bir yöntem belirledi.

Araştırmacılar, hızlandırıcının benzer enerjiyi kaydeden önerilen bir kurulumdan 10.000 kat daha küçük olacağını ve hızlandırıcıyı Gökçeada'nın uzunluğundan, bir yemek masasına kadar düşürebileceklerini tahmin ediyorlar. Böyle bir teknolojiyle, bilim insanları Higgs bozonunu araştırmak ya da Albert Einstein'ın evrenin büyük birleşik teorisi hayaline yol açabilecek ekstra boyutların ve yeni parçacıkların varlığını araştırmak için masa üstü deneyler icra edebilirler. LLE'de çalışan ve makalenin başyazarı olan John Palastro şöyle diyor:

Temel parçacık fiziğini incelemek için daha yüksek enerjili elektronlar gereklidir, elektron hızlandırıcıları, evrenin temel yapı taşlarının yaşadığı atom altı bir dünyaya bir ayna sağlar.

SciTechDaily

Bu araştırma şu anda teorik olmakla birlikte, LLE dünyanın en güçlü lazerini inşa etme planları ile bunu gerçeğe dönüştürmek için çalışıyor. EP-OPAL olarak adlandırılacak olan lazer, araştırmacıların bu makalede açıklanan son derece güçlü ışık atımı ve teknolojisini oluşturmalarına izin verecektir.

Araştırmacılar tarafından özetlenen elektron hızlandırıcı, zirvelerinin ışık hızından daha hızlı hareket edebilmeleri için ve lazer darbelerinin şeklini şekillendirmek için devrim niteliğinde bir tekniğe dayanır. LLE'de kıdemli bilim insanı ve makalenin yazarlarından biri olan Dustin Froula ise şöyle diyor:

Bu teknoloji, elektronların mevcut teknolojilerle mümkün olanın ötesine doğru hızlanmasını sağlayabilir.

Araştırmacılar, yüksek güçlü bir lazer sayesinde üretilen eşmerkezli ışık halkaları arasında bir zaman gecikmesi oluşturmak için, kullanılan dalga boyuna bağlı artan "adımlar" ile, dairesel bir amfitiyatroya benzeyen yeni bir optik kurulum geliştirdiler.

Tipik bir lens, lazerden gelen her ışık halkasını mercekten tek bir mesafeye odaklar ve tek bir yüksek yoğunluklu ışık noktası oluşturur. Ancak araştırmacılar, tipik bir lens kullanmak yerine, her ışık halkasını merceğin farklı bir uzaklığına odaklayarak tek bir nokta yerine yüksek yoğunlukta bir çizgi oluşturmalarını sağlayan egzotik şekilli bir lens kullanıyorlar.

Bu yontulmuş ışık darbesi bir plazmaya girdiğinde- serbestçe hareket eden elektron ve iyonlardan oluşan sıcak bir çorba- bir motorbotun arkasındaki gemi izine benzer bir iz yaratır. Bu iz, ışık hızında yayılır. Teknenin izindeki bir su kayağı gibi, elektronlar da yontulmuş lazer ışığı darbelerinin ardından hızlanırlar.

Bu "Laser Wakefield Acceleration" (LWFA) ilk olarak yaklaşık 40 yıl önce kuramlaştırıldı ve 2018 Nobel Ödülü sahipleri Donna Strickland ve Gerard Mourou tarafından LLE'de gerilmiş darbe amplifikasyonu (CPA) icadı ile geliştirildi.

nobelprize.org

LWFA önceki sürümleri, ancak, ışık hızından daha yavaş yayılan geleneksel, yapılandırılmamış ışık atımları kullandı, bu da elektronların uyanışını aşarak ivmelenmelerini sınırladığı anlamına geliyordu. Yeni şekillendirilmiş ışık atımları, ışıktan daha yüksek hızlar sağlar, böylece elektronların izi süresiz olarak sürebilir ve sürekli olarak hızlandırılabilir. LLE direktörü Michael Campbell şöyle diyor:

Bu çalışma son derece yenilikçi. Lazer hızlandırıcılar alanını değiştireceğini düşünüyorum. Bu araştırma, teorik ve deneysel plazma fiziğinin, seçkin lazer bilimcileri ve mühendisleriyle yakın işbirliği içinde çalışmasının değerini gösteriyor ve LLE kültürünün en harika tarafını temsil ediyor.