Nový návrh urychlovače částic využívající laser a uhlíkové nanotrubice by mohl přinést silné rentgenové záření na plochu běžného stolu. Studie slibuje miniaturizaci výzkumných nástrojů, které dnes vyžadují zařízení velikosti stadionu – a tím i zásadní změnu v přístupu ke špičkové vědě.
Urychlovače částic se staly jednou z nejdůležitějších vědeckých staveb v historii. V čistě vědecké oblasti nám pomáhají pochopit stavební kameny vesmíru tím, že srážejí částice a studují výsledky, rekonstruují podmínky raného vesmíru a zkoumají strukturu hmoty. V praktických aplikacích mají zásadní význam pro medicínu (např. léčba rakoviny a sterilizace lékařských přístrojů), průmysl (např. ozařování potravin a věda o materiálech) a technologie (např. bezpečnostní skenery a vesmírná elektronika).
Vše ale není tak pozitivní. Urychlovače jsou často obrovské a velmi drahé. Vezměme si například Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu s jeho 27 kilometry magnetických tunelů. Co kdybychom mohli zmenšit (fyzickou a nákladnou) velikost urychlovačů tisíckrát nebo milionkrát?
Nedávná studie navrhuje revoluční konstrukci: urychlovač částic tak kompaktní, že by se vešel na stůl, schopný generovat velmi intenzivní rentgenové záření se zcela jinou architekturou, než jakou mají tradiční urychlovače.
Běžné urychlovače částic jsou obvykle obrovské. Nová koncepce však využívá drobné struktury, uhlíkové nanotrubičky, které v kombinaci s polarizovaným laserem vytvářejí velmi silná elektrická pole a urychlují v nich elektrony. Klíč spočívá v povrchových plazmonových vlnách: laser se „roztočí“ uvnitř nanotrubičky a donutí elektrony spirálovat, čímž vznikne koherentní rentgenové záření s velmi vysokou intenzitou, až stokrát větší než jaká je u běžných urychlovačů podobné velikosti.
Toto zařízení „kapesní velikosti“ by mohlo změnit obory, jako je medicína, věda o materiálech a biologie. V současné době je intenzivní rentgenové záření dostupné pouze v obřích laboratořích (synchrotrony nebo lasery na volných elektronech), ke kterým nemá mnoho výzkumníků snadný přístup.
Zářivá budoucnost pro mnoho odvětví
Díky kompaktnímu urychlovači by nemocnice nebo univerzity mohly mít vlastní zdroj silného rentgenového záření, což by umožnilo přesnější lékařské zobrazování bez nutnosti použití kontrastních látek, studium proteinů a léků přímo ve výzkumných laboratořích, což by urychlilo vývoj nových léčebných postupů, a analýzu jemných materiálů a polovodičových součástek bez jejich poškození nebo dokonce nedestruktivní testování in situ.
Prozatím byla tato konstrukce demonstrována pouze v počítačových simulacích na základě skutečných struktur nanotrubic a laserů, které již existují v laboratoři. Autoři studie, mezi nimiž je i Javier Resta-López z univerzity ve Valencii, ukázali, že lze generovat pole o síle několika teravoltů na metr, což je mnohem větší výkon, než jaký zvládne mnoho dnešních urychlovačů. Dalším krokem bude experimentální ověření této koncepce, a to sestrojením skutečných prototypů a prokázáním, že funguje i mimo simulované prostředí.
Na rozdíl od tradičních kompaktních urychlovačů nemá tato nová koncepce konkurovat gigantům, jako je Velký hadronový urychlovač (LHC), jehož 27kilometrový obvod ho řadí do jiné ligy. Jeho logické srovnání je s moderními synchrotrony, přístroji, které dnes generují elektronové svazky používané ve fyzice, chemii, medicíně a materiálových vědách. A tyto synchrotrony jsou obrovské: francouzský ESRF má průměr 844 metrů, britský Diamond Light Source 561 metrů, americký APS přes 1100 metrů a japonský kolos SPring-8 1436 metrů. Jedná se o zařízení o velikosti dvou, tří nebo dokonce čtyř celých fotbalových hřišť. V porovnání s takovým rozmístěním by urychlovač schopný nabídnout srovnatelný výkon v měřítku „stolní desky“ představoval skutečnou vědeckou a technologickou revoluci.
Pokud by se takový urychlovač podařilo realizovat, mohl by demokratizovat přístup k sofistikovaným rentgenovým zdrojům, který byl dosud vyhrazen pouze velkým centrům. To by nejen urychlilo vědecký výzkum, ale také by to mohlo přinést špičkové technologie menším laboratořím, nemocnicím a univerzitám. Velký sen: přiblížit nástroje hraniční fyziky mnohem většímu počtu lidí.
V konečném důsledku představuje tento „stolní urychlovač“ odvážnou a transformační myšlenku: stejná fyzika, která pohání obří urychlovače, by se v budoucnu mohla vejít na čip.
Budoucí důsledky a výzvy
Zavedení těchto kompaktních urychlovačů by mohlo mít hluboký dopad na způsob, jakým provádíme vědecký výzkum a používáme technologie v každodenním životě. Například v oblasti medicíny by menší urychlovače částic mohly způsobit revoluci v radioterapii a umožnit přesnější a méně invazivní léčbu rakoviny. Mohly by také usnadnit vývoj nových léků tím, že umožní podrobnější analýzu molekulárních struktur.
V oblasti materiálových věd by tyto urychlovače mohly urychlit objevování nových materiálů s lepšími vlastnostmi, jako jsou supravodiče při pokojové teplotě nebo ultrapevné materiály. To by mohlo mít významný dopad na energetiku, elektroniku a stavebnictví.
Miniaturizace urychlovačů částic však představuje také významné technické výzvy. Vytvoření dostatečně silných elektrických polí na tak malém prostoru vyžaduje mimořádnou přesnost při výrobě komponent a také precizní kontrolu provozních podmínek. Kromě toho je třeba vyřešit problém řízení tepla vznikajícího při urychlování, aby se zabránilo přehřátí zařízení.
V neposlední řadě bude pro převedení těchto koncepcí z laboratoře do praxe zásadní finanční a institucionální podpora. K překonání technických a ekonomických překážek na této cestě bude nezbytná mezinárodní spolupráce a sdílení znalostí.
Budoucnost vědeckého výzkumu
Vývoj kompaktních urychlovačů částic by mohl demokratizovat přístup k pokročilým výzkumným nástrojům a umožnit více institucím na celém světě podílet se na špičkové vědě. To by mohlo vést ke zvýšení rozmanitosti perspektiv a přístupů ve vědeckém výzkumu, což by podpořilo inovativní objevy a řešení globálních problémů.
Ačkoli je cesta k zavedení těchto kompaktních urychlovačů plná výzev, potenciál k transformaci vědy a technologie je obrovský. Časem bychom mohli být svědky změny paradigmatu ve způsobu provádění vědeckého výzkumu a přenést hranice fyziky do laboratoří po celém světě.