Учени наскоро за първи път са стартирали най-малкия ускорител на частици в света. Малкото технологично чудо, което е с размера на малка монета, може да има широк спектър от приложения, включително използването на малки ускорители на частици в човешкото тяло, заменяйки по-увреждащите форми на лъчетерапия.

Новата машина, наречена "нанофотонен ускорител на електрони" (NEA - nanophotonic electron accelerator), се състои от малък микрочип, в който се помещава още по-малка вакуумна тръба, съставена от хиляди отделни "колони". Изследователите могат да ускорят електроните чрез изстрелване на минилазерни лъчи към тези колони.

Основната ускорителна тръба е дълга приблизително 0.5 мм, което е 54 милиона пъти по-късо от дългия 27 километра пръстен, който съставлява Големия адронен колайдер (LHC) на ЦЕРН – най-големият в света и най-мощният ускорител на частици, който е открил набор от нови частици, включително бозона на Хигс.

Вътрешността на малкия тунел е широка само около 225 нанометра. За сравнение, човешкият косъм е с диаметър от 80 000 до 100 000 нанометра.

В ново проучване, публикувано на 18 октомври в списанието Nature, изследователи от Университета Фридрих-Александър в Ерланген-Нюрнберг (FAU) в Германия са използвали малката машинка, за да ускорят електрони с енергия от 28.4 килоелектронволта до 40.7 keV, което е ускорение от около 43%.

Това е първият успешен старт на нанофотонен ускорител на електрони, който бе предложен за първи път през 2015 г., пишат изследователите в изявление. (Изследователи от Станфордския университет вече са обявили своя мини ускорител, но резултатите им все още се преглеждат).

"За първи път наистина можем да говорим за ускорител на частици върху [микро]чип", коментира в изявление съавторът на изследването Рой Шайло (Roy Shiloh), физик във FAU.

Големият адронен колайдер използва повече от 9000 магнита, за да създаде магнитно поле, което ускорява частиците до около 99,9% от скоростта на светлината. NEA също създава магнитно поле, което работи чрез изстрелване на светлинни лъчи към колоните във вакуумната тръба, но полученото енергийно поле е много по-слабо.

Електроните, ускорени от NEA, имат само около една милионна от енергията, която имат частиците, ускорени от Големия адронен колайдер. Изследователите обаче смятат, че могат да подобрят дизайна на NEA чрез използване на алтернативни материали или подреждане на множество тръби една до друга, което може допълнително да ускори частиците. Все пак те никога няма да достигнат до същите енергийни нива като големите колайдери.

Това може да не е лошо, като се има предвид, че основната цел на създаването на тези ускорители е да се използва енергията, отделена от ускорените електрони, в целеви медицински терапии, които могат да заменят по-увреждащите форми на лъчетерапия, която се използва за убиване на ракови клетки.

"Мечтаното приложение би било да се постави ускорител на частици върху ендоскоп, за да може да се приложи лъчетерапия директно в засегнатата област в тялото", пише в изявлението водещият автор на изследването Томаш Хлоуба (Tomáš Chlouba), физик във FAU. Но това е още много далече в бъдещето, добавя изследоватялят.

Chlouba, T., Shiloh, R., Kraus, S. et al. Coherent nanophotonic electron accelerator. Nature 622, 476–480 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06602-7 

World's smallest particle accelerator is 54 million times smaller than the Large Hadron Collider, and it works, Harry Baker,  Live Science