世界最大のアトム スマッシャーは周囲 27 キロメートルで、50 億ドルの費用がかかりました。しかし、今日発表された研究によると、はるかに小さな粒子加速器 (おそらく長さはわずか 1 キロメートル) が間近に迫っており、わずかなコストで同様のエネルギーを供給できる可能性があります。
この結果は、より安価な高エネルギー コライダーの探求における「大きなブレークスルー」を示すものであると、ハンブルグのドイツ電子シンクロトロン (DESY) 研究所の加速器物理学者である Ralph Assmann は述べています。彼はこの研究には関与していません。
粒子がスイスのジュネーブ近郊の CERN 研究所にある大型ハドロン衝突型加速器 (LHC)、またはその他の従来の加速器で循環するとき、物理学者はオルガン パイプと同じように、電波と共鳴する一連の金属空洞に粒子を通過させることによってエネルギーを増加させます。音波で鳴らします。ちょうど良いタイミングで、通過する粒子が電波の電場をサーフィンしてエネルギーを獲得します。しかし、必要なエネルギーが高ければ高いほど、より多くの空洞が必要になります。これは、より長く、より高価なアクセラレータを意味します。たとえば、提案されている国際リニア コライダー (ILC) は、長さ 20 ～ 40 キロメートルのトンネル内で 2500 億エレクトロンボルト (eV) のエネルギーで電子と陽電子を衝突させ、少なくとも 70 億ドルの費用がかかります。
対照的に、CERN の Advanced Wakefield (AWAKE) コラボレーションは、主に長さ 10 メートルのルビジウム ガスのチューブで構成される加速器を開発しました。研究者は、CERN の低出力加速器の 1 つから陽子のガス束と強力なレーザー パルスを注入します。後者はガスをイオン化し、正に帯電したイオンと負に帯電した電子からなるプラズマを生成します。
各陽子束が光速に近い速度でプラズマを通過する際に、周囲の電子を移動軸に向かって引き寄せます。陽子バンチが前方に移動する間、電子は軸上に収束し、バンチの後流に負電荷のポケットを作成します。同じプロセスがチューブの少し下で実行され、最初のグループの前に2番目の電子の塊が作成されますが、元のグループの運動量により、これらの電子はマークを超えて、より重い、より静的なイオンが支配する領域を離れます.結果は、陽子束の背後に設定された正と負の領域が交互に配置された「航跡場」であり、その後、他の粒子を加速するために使用されます。
昨年航跡場を観測した AWAKE チームは、電子バンチを慎重にプラズマに注入し、背後の電荷の負の領域によって押し出され、前方の正の領域によって引っ張られるようにしました。この押したり引いたりは非常に強くなければならないので、高周波空洞で可能な距離よりもはるかに短い距離で電子を非常に高いエネルギーに加速することができます.
粒子束とレーザー パルスが光速に近い速度で移動するため、3 セットの注入を同期させて、実際に電子が航跡場をサーフィンするようにすることは、簡単なことではありません。しかし、Nature に掲載された研究では 、コラボレーションは、プラズマのチューブで電子を20億eVにブーストしたことを報告しています。これは、電子が 1 メートルあたり 2 億 eV のエネルギーを得ることを意味します。これは、最高の高周波加速器の約 2 倍の「加速勾配」です。
それは印象的ですが、他のチームはすでにより良い結果を出しています。物理学者は、陽子ではなくレーザーパルスまたは他の電子を使用してウェイクフィールドを作成し、これまでに 1 メートルあたり最大 1000 億 eV の勾配を達成しました。しかし、レーザーパルスと電子はすぐにエネルギーを使い果たすため、これらの勾配は非常に短い距離に制限されます。したがって、エキゾチックな新しい粒子を研究するために必要な非常に高いエネルギーを供給するには、プラズマ加速器の長い列を一緒に結合する必要があります.AWAKEの副スポークスマンである素粒子物理学者のMatthew Wingによると、同期の問題は単一の加速器によって引き起こされるものよりもはるかに複雑です.ユニバーシティ カレッジ ロンドンで
対照的に、物理学者は、陽子を使用することで、単一のストレッチ プラズマのみを使用する必要があると考えています。それは、そもそも陽子をはるかに高いエネルギーまで回転させることができるからです。実際、Wing とその同僚は、LHC によって生成された 7 兆 eV の陽子が、長さ 1 km の単一のデバイスで電子を 1 兆 eV まで加速することを解明しました。そもそも LHC としては高価です。
Wing 氏によると、ILC の低価格版はおそらく現時点では考えられていません。そのような機械は、非常に正確なエネルギーを持つ非常にコンパクトなビームを必要とし、プラズマ加速器はまだそのような高品質のビームを生成できません.しかし彼は、今後 20 年以内に AWAKE の技術を使用して、LHC を電子陽子衝突型加速器に変換し、クォークや電子などの粒子が内部構造を持っているかどうかを調べることができると考えています。そのような施設の費用は、無線周波数に相当する費用の約 10 分の 1 にすぎないと彼は見積もっています。
ただし、このような野心的なプロジェクトに着手する前に、共同でより密な電子バンチを作成し、加速を強化する必要があります。今後 5 年間で、研究者は加速器の勾配を上げて、10 ～ 20 メートルでおそらく 100 億 eV に達することを望んでいます。 「その時点で、これらのビームを素粒子物理学の実験に使用することを考え始めることができました」と Wing 氏は言います。
イギリスのオックスフォード大学の素粒子物理学者であるブライアン・フォスターは、AWAKE が理論的提案 (2009 年から) をいかに早く実験的に実現したかについて、「非常に感銘を受け、嬉しい驚きを感じています」。しかし、彼は、プラズマベースの電子陽子コライダーが、そのような機械を構築して運用するための「非常にかなりの費用」になると彼が予測するものを正当化するのに十分な新しい物理学の結果を生み出すことができるとは考えていません.それでも、プラズマ加速器に取り組んでいる物理学者にとって、将来的に莫大な費用が節約できるという見通しは、この技術を追求する価値のあるものです。サーフアップ!
