Geminiatureerde antimaterie-versneller doorbreekt groottegrenzen, opent nieuwe fysica-frontiers

• Wetenschappers vonden een nieuwe manier om antimaterie te versnellen in duizend keer kleinere ruimte dan bestaande versnellers.
• De techniek is veel efficiënter, goedkoper en zou ons helpen nieuwe fysica in detail te bestuderen.

Deeltjesversnellers in faciliteiten zoals Linac Coherent Light Source en Large Hadron Collider versnellen elementaire deeltjes (elektronen en protonen). Ze stellen wetenschappers in staat om meerdere theorieën van de fysica te testen, inclusief zoeken naar nieuwe deeltjes voorspeld door supersymmetrische theorieën en het analyseren van de eigenschappen van het Higgs-boson.

Meestal wordt dit gedaan door versnelde deeltjes te laten botsen om meer elementaire deeltjes te genereren die massa aan alle andere deeltjes geven. Het kan gebruikt worden om X-ray-lasers te produceren om kleine en ultra-snelle processen te imageren, zoals fotosynthese.

Echter, om dergelijke hoge snelheden te bereiken, moet de versneller componenten gebruiken die langer zijn dan 2 km. Een paar jaar geleden ontwikkelden wetenschappers van het Imperial College London een systeem dat alleen meters-lange componenten gebruikt om elektronen te versnellen.

Nu heeft een wetenschapper aan dezelfde universiteit een techniek uitgevonden om positronen — het antideeltje-gedeelte van het elektron — te versnellen in een systeem dat slechts enkele centimeters lang zou zijn.

Voordelen van kleine positron-versneller

Deze nieuwe techniek kan helpen meer mysteriën van de fysica te onderzoeken, inclusief de eigenschappen van donkere materie en donkere energie, en gevoeligere tests van siliciumchips en vliegtuigen mogelijk maken.

De aanpak is gemodelleerd met behulp van de aard van bestaande lasertechnologie, die bijna 25 vierkante meter bedekt. Als succesvol gedemonstreerd, kan het talloze laboratoria over de hele wereld in staat stellen experimenten uit te voeren van het versnellen van antimaterie.

Volgens de onderzoekers kan deze nieuwe technologie de grootte en de kosten van positron-versnelling drastisch verminderen. Momenteel vereist hetzelfde experiment grote fysieke faciliteiten en kost tienden miljoenen dollars.

De strategieën gebruikt in grote faciliteiten zoals de Linac Coherent Light Source en de Large Hadron Collider zijn niet veel verbeterd sinds hun ontdekking in de vroege jaren '60. Ze zijn nog steeds duur en te complex.

De next-generation antimaterie-versnellers, aan de andere kant, zijn efficiënter, kleiner en goedkoper. Ze zouden ons helpen nieuwe fysica te onderzoeken, waardoor veel meer laboratoria aan de inspanning kunnen deelnemen.

Referentie: Phys. Rev. Accel. Beams | doi:10.1103/PhysRevAccelBeams.21.081301 | Imperial College London

Higgs-boson genereren en materialen testen

De techniek omvat het gebruik van lasers en plasma om antimaterie te creëren, concentreren en versnellen voor het genereren van een bundel. De centimeters-lange versneller is in staat om bundels van positronen met tientallen miljoenen deeltjes te versnellen, met behulp van bestaande lasertechnologie. Het energieniveau van deze deeltjes is hetzelfde als die gegenereerd door de 2 km Stanford-versneller.

Meer specifiek gebruikten onderzoekers Particle-In-Cell-simulaties om te demonstreren dat bestaande lasers honderden MeV pC quasi-monoenergetische positronen kunnen versnellen.

De deeltjesversnellingstechniek is gebaseerd op 2 laser-plasma interactiefasen | Credit: Aakash A. Sahai

In feite kunnen ze Higgs-bosonen met een hogere snelheid genereren, wat wetenschappers in staat stelt de eigenschappen ervan beter te analyseren. Ook kunnen ze gebruikt worden om het Standaardmodel van deeltjesfysica te verklaren door te zoeken naar nieuwe deeltjes voorspeld door supersymmetrische theorieën.

Wat praktische toepassingen betreft, kan de positronenbundel fouten en breukrisico's analyseren in diverse materialen, inclusief vliegtuigmotoren, lichamen en geïntegreerde chips. Omdat antimaterie op een andere manier interageert met dergelijke materialen dan elektronen of X-stralen, bieden ze een heel nieuwe dimensie aan het kwaliteitscontroleproces.

Lees ook: De hele nieuwe fysica van de 21e eeuw | Interessante theorieën

Op basis van eerdere ervaring met het genereren van bundels via vergelijkbare techniek, zijn onderzoekers vrij zeker dat een werkend prototype beschikbaar zal zijn tegen 2020.