NIEUWE TECHNOLOGIE MAAKT DEELTJESVERSNELLER KLEINER

NIEUWE TECHNOLOGIE MAAKT DEELTJESVERSNELLER KLEINER
Surfen tegen lichtsnelheid
25/06/2013 | Steven Stroeykens
Door elektronen te laten ‘surfen’ op een golf, kunnen ze in een compact apparaatje opgejaagd
worden tot een energie waar vroeger een tientallen meters grote installatie voor nodig was.
Versneller op de labtafel.
Deeltjesversnellers zijn groot. De versneller waarmee Europese fysici vorig jaar het Higgs-deeltje
ontdekten, de LHC in Genève, is een ring met een omtrek van 27 kilometer. En door die grote
omvang zijn ze ook verschrikkelijk duur. Deeltjesfysici maken zich er zorgen over of de volgende
generatie versnellers, die nog groter en krachtiger moeten worden, nog wel te betalen zal zijn.
Maar een nieuwe technologie kan misschien een oplossing bieden. Amerikaanse fysici melden in
het vakblad Nature Communications dat ze elektronen (deeltjes van atomen) hebben kunnen
versnellen tot een energie van 2 gigaelektronvolt over een afstand van slechts één inch (2,54
centimeter). In een klassieke versneller hebben elektronen zowat zestig meter nodig om dezelfde
energie te bereiken.
Elektronen met een energie van 2 gigaelektronvolt bewegen bijna met de snelheid van het licht.
Ter vergelijking: een gewoon huishoudbatterijtje kan een elektron een energie van anderhalve
elektronvolt geven. Het apparaat van de natuurkundigen van de University of Texas in Austin
doet meer dan een miljard keer beter.
De truc is dat de Amerikaanse fysici de elektronen versnellen door ze te laten ‘surfen’ op een golf
in een ijl gas.
Laser
De onderzoekers beginnen het experiment door in een vacuümkamer een beetje gas los te laten.
Daar vuren ze dan een kortstondige maar extreem krachtige laserflits doorheen. De laser slaat
elektronen los van de atomen in het gas – hij maakt van het gas een zogeheten ‘plasma’. Tegelijk
scheidt de laser de elektronen van de positief geladen resten van de atomen in het gas; er ontstaat
een golf met afwisselende zones van positieve en negatieve elektrische lading in het plasma.
Binnen in die golf heersen extreem krachtige elektrische velden, veel krachtiger dan met
traditionele apparatuur valt op te wekken. Enkele elektronen worden op precies de juiste manier
gevangen in die velden, en die worden in een mum van tijd heel sterk versneld – ze ‘surfen’ mee
op de plasmagolf die de laserflits opwekt. In de Texaanse experimenten kregen ongeveer een half
miljard elektronen de gewenste hoge energie.
Er wordt al jaren geëxperimenteerd met de techniek van ‘plasmaversnelling’, maar het bleek tot
nu toe erg moeilijk om een energie van meer dan één gigaelektronvolt te bereiken. Die grens
hebben de onderzoekers uit Texas nu doorbroken, dankzij een uiterst krachtige laser. Die is
enkele meter groot: dus veel groter dan de eigenlijke versneller, maar toch nog comfortabel in een
gewoon lab.
Dat betekent niet dat grote deeltjesversnellers zoals de LHC meteen werkloos gaan worden. De
LEP, een versneller voor elektronen die vroeger in dezelfde 27 kilometer lange tunnel stond als de
LHC, haalde een energie van meer dan honderd gigaelektronvolt (de LHC zelf versnelt geen
elektronen maar andere deeltjes, en is daarom niet zomaar te vergelijken). Een toekomstige
versneller voor elektronen die deeltjesfysici zouden willen bouwen, en die dertig tot vijftig
kilometer lang zal zijn, moet elektronen een energie van 250 tot 500 gigaelektronvolt geven. Een
plasmaversneller die een dergelijke energie haalt, ligt nog ver in de toekomst.
Röntgenstraling
Maar de plasmaversneller zou op kortere termijn al andere toepassingen kunnen krijgen. De
Texaanse onderzoekers denken dat ze binnen enkele jaren tien gigaelektronvolt kunnen halen,
met een apparaat dat nog steeds in een lab past, en binnen een decennium twintig
gigaelektronvolt.
Elektronen met die energie kunnen gebruikt worden om heel krachtige röntgenstraling op te
wekken, en zelfs een röntgen-laser te maken. Dergelijke röntgenstraling is erg in trek bij
scheikundigen en biologen, die ze onder meer gebruiken om de structuur van biologische
moleculen te bestuderen. Vandaag is er nog een zeer grote en dure installatie nodig om de
gewenste röntgenstraling te maken. Maar volgens Mike Downer van de universiteit van Texas kan
het met plasmaversnelling mogelijk worden om een compacte harde röntgenbron te fabriceren,
die gewone laboratoria zich kunnen veroorloven. Omdat de technologie heel kort durende flitsen
opwekt, kan de röntgenstraling ook gebruikt worden om het verloop van snelle chemische reacties
te bestuderen.
Bron: http://www.standaard.be/cnt/dmf20130624_00634949