Από το 0 στην ταχύτητα του φωτός: 0.2 δισεκατομμύρια του δευτερολέπτου

Ερευνητές από τη Νέα Υόρκη κατασκευάζουν μια φιλόδοξη μηχανή για να διαλευκάνουν τα μυστήρια που κρύβονται μέσα στους ατομικούς πυρήνες. Ένα σημαντικό στοιχείο αυτού του συστήματος είναι το ηλεκτρονικό όπλο με την υψηλότερη τάση στον κόσμο, το οποίο πρόσφατα ολοκλήρωσε μια εξάμηνη δοκιμή.

Το μηχάνημα είναι γνωστό ως επιταχυντής ηλεκτρονίων-ιόντων (EIC) και αναπτύσσεται από επιστήμονες του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ. Στόχος της μηχανής είναι να μπορεί να επιταχύνει ηλεκτρόνια προς μία κατεύθυνση και να τα συγκρούει με άτομα που έχουν απογυμνωθεί από τα δικά τους ηλεκτρόνια και ταξιδεύουν σε ένα άλλο ρεύμα προς την αντίθετη κατεύθυνση. Όλα αυτά λαμβάνουν χώρα σε έναν κυκλικό επιταχυντή που έχει περίμετρο 3.85 χιλιόμετρα.

Θεωρητικά, αυτό θα πρέπει να διαλύσει τα πρωτόνια και τα νετρόνια στους πυρήνες των ατόμων αποκαλύπτοντας τους ελάχιστα κατανοητούς ακόμη μηχανισμούς με τους οποίους υπάρχουν. Ένας από τους στόχους είναι η καλύτερη κατανόηση της δύναμης μέσα στα γκλουόνια, η οποία συγκρατεί τα κουάρκ (τα δομικά στοιχεία των πρωτονίων και των νετρονίων) και είναι γνωστή ως η ισχυρότερη δύναμη στη φύση.

Για να λειτουργήσουν όλα αυτά, οι επιστήμονες έπρεπε να εφεύρουν μια συσκευή που θα μπορούσε να επιταχύνει τα σωματίδια κοντά στην ταχύτητα του φωτός γρήγορα και σε σχετικά μικρή απόσταση. Και οι πρόσφατες σειρές δοκιμών στο όπλο ηλεκτρονίων αποδεικνύουν ότι τα κατάφεραν!

«Επιταχύνουμε την ταχύτητα των ηλεκτρονίων στο 80% της ταχύτητας του φωτός», δήλωσε ο φυσικός Erdong Wang του Brookhaven Lab, επικεφαλής αρχιτέκτονας και υλοποιητής της συσκευής, ο οποίος εργάζεται για την ανάπτυξή της από τότε που την πρότεινε το 2017. «Αυτό σημαίνει επιτάχυνση από το μηδέν σε πάνω από 800 εκατομμύρια χιλιόμετρα την ώρα σε απόσταση μόλις 5 εκατοστών (!) μέσα στο όπλο σε περίπου 0.2 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου».

Η επιτάχυνση των ηλεκτρονίων είναι μόνο ένα από τα καθήκοντα που ανατίθενται στο όπλο. Το άλλο είναι να μπορεί να δημιουργεί πυκνές ομάδες σωματιδίων και να ελέγχει επίσης το σπιν τους. Για να το πετύχουν αυτό, οι ερευνητές δημιούργησαν μια φωτοκάθοδο (το εξάρτημα που δημιουργεί φωτοηλεκτρικά ηλεκτρόνια) από λεπτά νανοστρώματα κρυστάλλων αρσενικούχου γαλλίου. Χτυπώντας αυτή την κάθοδο με ένα λέιζερ, η ομάδα μπόρεσε να απελευθερώσει ηλεκτρόνια και να ελέγξει αν αυτά περιστρέφονται προς τα εμπρός ή προς τα πίσω.

Μόλις τα ηλεκτρόνια απελευθερωθούν από τον κρύσταλλο με το λέιζερ, το όπλο έχει στη συνέχεια ως αποστολή να τα κάνει να κινηθούν αρκετά γρήγορα. Για να το πετύχει αυτό, η ομάδα κατασκεύασε μια άνοδο απέναντι από την κάθοδο και εφάρμοσε εξαιρετικά υψηλή τάση.

«Πρώτα, εφαρμόζουμε την τάση στην κάθοδο», δήλωσε ο Wang. «Στη συνέχεια, όταν φωτίζουμε με λέιζερ το πλακίδιο αρσενικούχου γαλλίου, η δέσμη ηλεκτρονίων βγαίνει προς την άνοδο. Η ενέργεια των ηλεκτρονίων πηγαίνει από το μηδέν στα 320 κιλοηλεκτρονιοβόλτ στο διάστημα του διακένου – περίπου πέντε εκατοστά».

Οι ερευνητές επέλεξαν επίσης την καλύτερη προσέγγιση με το λέιζερ. Διαπίστωσαν ότι οι σύντομοι παλμοί του φωτός του λέιζερ ήταν σε θέση να δημιουργήσουν ομάδες ηλεκτρονίων που περιείχαν υψηλό «φορτίο δέσμης», που σημαίνει ότι ήταν γεμάτες με περίπου 70 δισεκατομμύρια ηλεκτρόνια ανά δέσμη. Αυτές οι δέσμες δίνουν στα σωματίδια τις μεγαλύτερες πιθανότητες να συγκρουστούν με τους ατομικούς πυρήνες που έρχονται από την άλλη κατεύθυνση στον επιταχυντή.

Μετά από την αντιμετώπιση μιας σειράς άλλων προκλήσεων, όπως η απομάκρυνση παγιδευμένων αερίων από το ατσάλι του περιβλήματος του όπλου, το όπλο λειτούργησε χωρίς συντήρηση για έξι μήνες. Η ανάλυση των παραγόμενων ακτίνων ηλεκτρονίων επιβεβαίωσε ότι τα σωματίδια είχαν ακριβώς τα κατάλληλα χαρακτηριστικά για χρήση στο EIC.

«Αυτό το όπλο όχι μόνο υπερκαλύπτει τις απαιτήσεις του EIC, αλλά έχουμε επίσης κορυφαία αποτελέσματα παγκοσμίως», δήλωσε ο Wang. «Πρόκειται για το όπλο πολωμένων ηλεκτρονίων με την υψηλότερη τάση και την υψηλότερη ένταση στον κόσμο». Ο ίδιος και η ομάδα του εργάζονται τώρα σε εξαρτήματα που θα επιταχύνουν τα ηλεκτρόνια μέσα στον επιταχυντή ακόμη περισσότερο, κοντά στην ταχύτητα του φωτός.

[via]