Самый маленький в мире ускоритель частиц в 54 млн. раз меньше, чем ускоритель в ЦЕРНе

Недавно исследователям удалось ввести в эксплуатацию самый маленький в мире ускоритель частиц — нанофотонный ускоритель электронов (NEA). Эта технологическая новинка размером с маленькую монету открывает многообещающие перспективы для целого ряда приложений, в том числе для использования миниатюрных ускорителей частиц в медицинских целях.

Миниатюрный ускоритель частиц

Ускорители частиц — это установки, разгоняющие субатомные частицы, например электроны, до скоростей, близких к скорости света, что позволяет лучше понять структуру вещества и исследовать различные научные области. В качестве примера можно привести Теватрон, работающий в Фермилабе (США), протонный синхротрон в Японии (J-PARC) и Большой адронный коллайдер (БАК) в Швейцарии. БАК известен тем, что в 2012 году на нем был открыт бозон Хиггса, а недавно — загадочные «частицы X».

Нанофотонный ускоритель электронов, или NEA, представляет собой несколько иное устройство. Эта структура представляет собой небольшой электронный чип, в котором размещена еще более компактная вакуумная трубка, состоящая из тысяч отдельных столбиков. Исследователи могут ускорять электроны, направляя на эти столбы крошечные лазерные лучи. Длина основной ускорительной трубки составляет всего 0,5 мм. Это в 54 миллиона раз меньше, чем 27-километровое кольцо, из которого состоит Большой адронный коллайдер.

Ширина внутреннего пространства крошечного туннеля составляет всего 225 нанометров. Чтобы представить себе масштаб, толщина человеческого волоса составляет от 80 000 до 100 000 нанометров.

Многообещающие результаты

В недавнем исследовании ученым из Университета Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге (FAU) в Германии удалось с помощью этой мини-установки ускорить электроны с 28,4 килоэлектронвольт до 40,7 кэВ, что составляет прирост примерно на 43%. Это первый случай успешного ввода в эксплуатацию так называемого нанофотонного ускорителя электронов, впервые предложенного в 2015 году.

Хотя энергия электронов, ускоряемых NEA, значительно ниже, чем у крупных коллайдеров, таких как БАК, исследователи планируют усовершенствовать его конструкцию, используя альтернативные материалы или укладывая несколько трубок рядом друг с другом. Такая оптимизация позволит еще больше увеличить скорость частиц.

Основной целью создания таких миниатюрных ускорителей является использование энергии ускоренных электронов для целенаправленного медицинского лечения, в частности, для замены более разрушительных видов радиотерапии, применяемых для уничтожения раковых клеток. Идея состоит в том, чтобы интегрировать эти ускорители частиц в эндоскопы и проводить радиотерапию непосредственно на пораженном участке тела. Естественно, несмотря на перспективность такого применения, для его практического воплощения в жизнь требуются значительные усовершенствования.

Подробности исследования опубликованы в журнале Nature.