Bilindiği gibi, şu an kullanılan parçacık hızlandırıcılar tipik olarak çok yer işgal eden, büyük makineler oluyorlar. Kanser terapisi ve tıbbi görüntüleme için kullanılan düşük enerjili olan hızlandırıcılar bile donanım, güç kaynağı ve radyasyon kalkanı için geniş odalara ihtiyaç duyuyor.

Maryland Üniversitesi fizikçilerinin yeni keşfi ise yakın bir gelecekte ucuz, geniş kullanım alanına sahip ve taşınabilir parçacık hızlandırıcıların yapılandırılmasını sağlayacak gibi görünüyor. Ekip aşırı düşük lazer enerjileri kullanarak elektron demetlerini ışık hızına yakın hızlara çıkarmayı başardı. Böylece ufak boyutlu parçacık hızlandırıcıların geliştirilmesinde karşı karşıya kalınan en büyük mühendislik darboğazını aştı. Çalışmanın sonuçları 6 Kasım 2015 tarihli Physical Review Letters dergisinde yayımlandı.

"Sadece milijoule mertebesinde lazer atım enerjisi kullanarak, yüksek yüklü elektron demetlerini 10 milyon elektron volttan daha yükseğe ivmelendirdik. Bu, evlerde kullanılan tipik bir ampülün, saniyenin binde birinde tükettiği enerjiye eşdeğer. Gerekli lazer enerjisi bu denli düşük olduğu için, çalışmamızın sonuçları bir el arabası ile taşınabilecek ve lazerle kullanılabilecek parçacık hızlandırıcıların kapısını aralamış oldu. Ayrıca beklenmeyen iyi birşey daha fark ettik. Hızlandırıcı yoğun bir optik ışık flaşı üretiyor. Bu flaş öylesine kısa ki, bir dalgaboyu çevriminin yarısı kadar olduğunu düşünüyoruz," diyor Prof. Howard Milchberg. Bu ultra-kısa ışık flaşları sayesinde, ileride atomik yörüngelerde gezinen elektronların hareketlerini yakalamada kullanılacak optik ışık atımları geliştirilebilir.

UMD ekibi işe "lazer sürücülü plazma girdabıyla hızlandırma" olarak bilinen bir teknikle başlayıp, bunu uç noktalara götürmüş. Kısaca özetlemek gerekirse, süreç plazmanın içine bir lazer atımı ateşlenerek işliyor. Plazma, tüm elektronlarını kaybederek hepsi iyonize olmuş gaz atomlarından oluşan bir gaz türüdür Söz konusu uygulamada hidrojen gazı kullanılıyor. Yoğun bir lazer atımı, arkasında lazeri izleyen bir iz bırakabilir; tıpkı sürat teknesinin ardında oluşan izler gibi. Öndeki lazer atımını izleyen bir grup elektron, işte bu ardıl dalga üzerinde sörf yapabilir ve metrenin milyonda biri mesafede ışık hızına yakın hızlara çıkabilir.

"Lazer atımınız ardıl plazma dalgası üretmediği sürece, ki bu çok yoğun bir atım gerektirir, hiç şansınız yok," diyor Milchberg. Önceki çalışmalarda bu etkiyi yaratmak için çok daha büyük lazer enerjileri gerekiyordu. O nedenle Milchberg ve çalışma arkadaşları, plazmanın kendisinin zayıf bir lazer atımını yoğun bir atıma dönüştürmesini sağlamaya çalışmaktan farklı bir yaklaşım denemiş.

Lazer atımı plazmadan geçerken elektronların lazer alanında ileri-geri sallanmasına neden olur. Merkezdeki elektronlar, demetin en yoğun kısmını hisseder, dolayısıyla en hızlı sallananlar onlar olur. Einstein'ın görelilik kuramı uyarınca sallandıkça kütleleri artar. Sonuç olarak demetin merkezi, yani elektronların en ağır olduğu yer, demetin dış kısımlarına göre yavaşlar. Bu da demetin kendi kendine odaklama yaparak, çökerken yoğunluk kazanmasına ve sonunda da ardında güçlü bir plazma izi bırakmasına neden olur. Bu etki "görelilikcil kendi kendine odaklama" (İng. relativistic self-focusing) olarak bilinir.

UMD ekibi plazma yoğunluğunu tipik deneylerdekinden 20 kat kadar arttırıp, kendi kendine odaklama etkisinden yararlanmış. Süreç esnasında, görelilikcil kendi kendine odaklamayı başlatmak ve dolayısıyla güçlü bir plazma dalga izi üretmek için gereken lazer atım enerjisini çarpıcı şekilde düşürmüşler. "Plazma yoğunluğunu yeterince arttırırsanız, ufacık bir lazer atımı bile güçlü görelilikcil etkiler üretebilir," diye ekliyor Milchberg.

"Uygulama açısından buradaki en büyük fark hızlandırıcıda. Bir zamanlar bir oda dolusu ekipman ve çok güçlü bir lazer gerektiren işlemi, hareketli bir platform üzerinde taşınabilecek küçük bir makine ve standart elektrik kablosu ile yapabileceğiz. İşe çok güçlü bir lazerle başladık ve gördük ki, enerjiyi azaltmaya devam ederken etki hala devam ediyor. Sonunda lazerin tepe enerjisinin %1'ine kadar indik ve etki kaybolmadı. Bu bizi şaşkına çevirdi," diyor lisansüstü öğrencisi Andrew Goers.

UMD'nin lazer sürücülü hızlandırıcısı elektron ve radyasyon demetleri üretiyor; buna güvenli tıbbi görüntülemede kullanılabilecek olan gama ışınları da dahil. Hızlandırıcıda elde edilen ikincil etki dolayısıyla, çok kısa mesafelerde büyük ivme kazanabilen elektronlara ilişkin Goers şöyle diyor: "Böylesine şiddetli bir ivmelenme, elektronların deli gibi ışıma yapması anlamına geliyor."

Fermilab ve CERN gibi tesislerin lider konumda olduğu yüksek enerji fiziği çalışmalarında lazer sürücülü parçacık hızlandırıcıların kullanılması konusunda, daha katedilmesi gereken epey yol var. Ama ultra-hızlı medikal ve bilimsel görüntüleme gibi daha acil uygulamalar için maliyet, karmaşıklık ve taşınabilirlik engellerinin aşılmasını sağlayabilirler.

 

---

Kaynak: Phys.org, "New discovery could enable portable particle accelerators"
< http://phys.org/news/2015-11-discovery-enable-portable-particle.html >

Referans: A. J. Goers et al. Multi-MeV Electron Acceleration by Subterawatt Laser Pulses, Physical Review Letters (2015). DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.194802
< http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.194802 >

---