دانشمندان کوچکترین شتاب‌دهنده ذرات جهان را ساختند

کوچکترین شتاب‌دهنده ذرات جهان، ۵۴ میلیون بار کوچک‌تر از «برخورد دهنده هادرونی بزرگ» است و می‌تواند امیدبخش باشد.

به گزارش ایسنا به نقل از اسپیس، دانشمندان برای اولین بار کوچک‌ترین شتاب‌دهنده ذرات جهان را ساخته‌اند. این نمونه موفقیت‌آمیز که به اندازه یک سکه کوچک است، می‌تواند روزنه‌ای را به روی طیف گسترده‌ای از کاربردها، از جمله استفاده کردن از شتاب‌دهنده‌های کوچک ذرات در بیماران انسان باز کند.

فناوری جدید که به عنوان «شتاب‌دهنده الکترونی نانوفوتونیکی»(NEA) شناخته می‌شود، از یک ریزتراشه کوچک تشکیل شده که یک لوله خالی کوچک‌تر ساخته‌ شده از چندین میله را در خود جای داده است. پژوهشگران می‌توانند با شلیک کردن پرتوهای لیزری کوچک به این میله‌ها، الکترون‌ها را شتاب دهند.

لوله اصلی تقریبا ۰.۵ میلی‌متر طول دارد و ۵۴ میلیون بار کوتاه‌تر از حلقه ۲۷ کیلومتری است که «برخورددهنده هادرونی بزرگ»(LHC) مرکز «سرن»(CERN) در سوئیس را تشکیل می‌دهد. برخورددهنده هادرونی بزرگ، بزرگترین و قوی‌ترین شتاب‌دهنده ذرات در جهان به شمار می‌رود که طیفی از ذرات جدید مانند «بوزون هیگز» (Higgs boson)، نوترینوهای شبح‌مانند و ذره مرموز ایکس را کشف کرده است.

داخل تونل کوچک شتاب‌دهنده الکترونی نانوفوتونیکی، تنها حدود ۲۲۵ نانومتر عرض دارد. این در حالی است که براساس گزارش «موسسه ملی نانوفناوری»(National Nanotechnology Institute)، موهای انسان بین ۸۰ هزار تا ۱۰۰ هزار نانومتر ضخامت دارند.

پژوهشگران «دانشگاه فردریش الکساندر ارلانگن نورنبرگ»(FAU) در آلمان، از این شتاب‌دهنده کوچک برای شتاب دادن الکترون‌ها از انرژی ۲۸.۴ کیلوالکترون ولت به ۴۰.۷ اینچ ولت استفاده کردند. بدین ترتیب، شتاب الکترون‌ها حدود ۴۳ درصد افزایش یافته است.

طرح ساخت چنین شتاب‌دهنده کوچکی اولین بار در سال ۲۰۱۵ پیشنهاد شد. به گفته پژوهشگران، این اولین بار است که یک شتاب‌دهنده الکترونی نانوفتونیک با موفقیت ساخته می‌شود. پژوهشگران «دانشگاه استنفورد» پیشتر این شاهکار را با مینی‌شتاب‌دهنده خود انجام داده‌اند اما نتایج کار آنها هنوز در دست بررسی است.

«روی شیلو»(Roy Shiloh) فیزیک‌دان دانشگاه فردریش الکساندر ارلانگن نورنبرگ و از پژوهشگران این پروژه گفت: ما برای اولین بار واقعا می‌توانیم در مورد یک شتاب‌دهنده ذرات صحبت کنیم که روی یک ریزتراشه قرار دارد.

برخورددهنده هادرونی بزرگ، بیش از ۹۰۰۰ آهن‌ربا را برای ایجاد میدان مغناطیسی به کار می‌گیرد که ذرات را تا حدود ۹۹.۹ درصد سرعت نور شتاب می‌دهند. شتاب‌دهنده الکترونی نانوفوتونیکی نیز یک میدان مغناطیسی را ایجاد می‌کند اما کار خود را با شلیک پرتوهای نور به میله‌های لوله خالی انجام می‌دهد. این کار، انرژی را به درستی تقویت می‌کند اما میدان انرژی حاصل‌شده بسیار ضعیف‌تر است.

الکترون‌هایی که توسط شتاب‌دهنده الکترونی نانوفوتونیکی شتاب می‌گیرند، فقط حدود یک میلیونیم انرژی ذرات شتاب‌داده‌شده توسط برخورددهنده هادرونی بزرگ را دارند. با وجود این، پژوهشگران بر این باورند که می‌توانند طراحی شتاب‌دهنده الکترونی نانوفوتونیکی را با استفاده از مواد جایگزین یا چیدن لوله‌های متعدد در کنار یکدیگر بهبود ببخشند تا سرعت ذرات را افزایش دهند. در هر حال، آنها هرگز به سطح انرژی مشابه برخورددهنده‌های بزرگ نخواهند رسید.

با توجه به اینکه هدف اصلی از ایجاد این شتاب‌دهنده‌ها، استفاده کردن از انرژی منتشر شده توسط الکترون‌های شتاب‌دار در درمان‌های پزشکی هدفمند است تا جایگزین انواع آسیب‌رسان پرتودرمانی برای کشتن سلول‌های سرطانی شود، این شتاب‌دهنده ممکن است کارآمد باشد.

«توماس کلوبا»(Tomáš Chlouba) فیزیک‌دان دانشگاه فردریش الکساندر ارلانگن نورنبرگ و پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: کاربرد رویایی این طرح، قرار دادن یک شتاب‌دهنده ذرات روی آندوسکوپ است تا بتوان پرتودرمانی را مستقیما در ناحیه آسیب‌ دیده بدن انجام داد اما هنوز راه زیادی تا رسیدن به این هدف باقی مانده است.

این پژوهش در مجله «نیچر»(Nature) به چاپ رسید.