Най-малкият ускорител на частици в света може да направи революция в медицината и физиката

Учени успешно са активирали най-малкия ускорител на частици в света - устройство, компактно колкото монета. Този пробив, който би могъл да преобрази области от медицината до физиката, представлява значителна стъпка към миниатюрната технология за ускоряване на частици.

Традиционните ускорители на частици разчитат на радиочестотни вълни и метални съоръжения, за да задвижват заредени частици. Тези методи налагат ограничения по отношение на размера и цената поради ограниченията на радиочестотните полета, които могат да издържат само на градиенти на ускорение в диапазона от мегаволти на метър.

За разлика от тях диелектричните материали могат да издържат на оптични полета, надвишаващи 10 гигаволта на метър, което позволява много по-силни градиенти на ускорение.

Новият подход, известен като диелектричен лазерен ускорител (DLA), използва нанофотонни структури за синхронизиране на близки оптични полета с движещи се заредени частици. Тази конфигурация постига скорости на ускорение до 100 пъти по-големи от конвенционалните системи, базирани на радиочестота, като драстично намалява както размера, така и цената на ускорителите.

Нанофотонният ускорител е с дължина само 500 микрометра, което го прави 54 милиона пъти по-малък от 27-километровия Голям адронен колайдер (LHC) в ЦЕРН.

Схема на експерименталната инсталация. Ултравиолетови (UV) лазерни импулси с дължина на вълната 257 nm (синьо) и инфрачервени (IR) лазерни импулси с дължина на вълната 1,93 μm (червено) се генерират в оптичен параметричен усилвател (OPA) и установка за генериране на четвъртичен хармоник (два BBO кристала). Кредит: Nature

Ключово предизвикателство във всеки ускорител е поддържането на затвореност на частиците, за да се предотврати загубата на енергия. В DLA ограничаването се осъществява в тесен канал с ширина от нанометри, структуриран така, че да поддържа електроните фокусирани, докато набират енергия.

За да преодолеят ограниченията на фокусирането, породени от теоремата на Ърншоу, изследователите използват техниката на променливото фазово фокусиране (APF). Този метод редува сили за фокусиране и дефокусиране, за да насочва електроните по тяхната траектория, осигурявайки постоянно ускорение.

Исторически първи тест на ускорител, базиран на чип

Това устройство, наречено нанофотонен ускорител на електрони (NEA - nanophotonic electron accelerator), представлява микрочип, съдържащ вакуумен канал, облицован с хиляди малки стълбчета. Когато лазерни лъчи попаднат върху тези стълбове, те генерират полетата, необходими за ускоряване на електроните през структурата.

Изследователи от Университета "Фридрих-Александър" в Ерланген-Нюрнберг (FAU) в Германия успешно са демонстрирали възможностите на NEA, като са ускорили електрони от 28,4 килоелектронволта (keV) до 40,7 keV, което представлява 43% увеличение на енергията.

Този важен етап, публикуван в Nature, отбелязва първата успешна демонстрация на нанофотонен ускорител на електрони - концепция, предложена за първи път през 2015 г.

"За първи път наистина можем да говорим за ускорител на частици върху [микро]чип", коментира Рой Шилох (Roy Shiloh), физик и съавтор на изследването.

Съобщава се, че екип от Станфордския университет е постигнал подобни резултати, въпреки че техните резултати все още се анализират.

За разлика от Големия адронен колайдер, който използва повече от 9000 свръхпроводящи магнита за ускоряване на частици почти до скоростта на светлината, NEA разчита на лазерни лъчи за възбуждане на миниатюрните стълбове в структурата си. Макар че този метод е много по-слаб, той е значително по-компактен и енергийно ефективен.

Потенциал за медицински и научни приложения

Електроните, ускорени от NEA, носят само около една милионна част от енергията, произведена от Големия адронен колайдер. Въпреки това изследователите смятат, че могат да увеличат мощността му чрез влагане на нови материали или подреждане на няколко ускорителни структури. Дори и с подобренията, NEA никога няма да се конкурира с големите колайдери, но силните му страни са другаде.

Електронни енергийни спектри, показващи кохерентно ускоряване на електрони.  Кредит: Nature

Основната цел на разработването на миниатюрни ускорители е не само физиката на високите енергии, но и практическите приложения в медицината. Високоенергийните електрони, генерирани от NEA, биха могли да се използват в прецизни техники за радиотерапия, което потенциално би намалило вредните странични ефекти, свързани с конвенционалното лъчелечение.

Томаш Хлуба (Tomáš Chlouba), водещ автор на изследването, предвижда бъдеще, в което миниатюрните ускорители ще могат да бъдат интегрирани в ендоскопи за целенасочено лечение на рак.

"Ако успеем да направим ускорител на частици достатъчно малък, за да се побере в медицинско устройство, бихме могли да доставяме високо локализирано лъчение директно в туморите", обяснява Хлуба. 

Въпреки това той предупреждава, че подобни приложения са все още далечни и ще изискват допълнителни технологични усъвършенствания.

Нова ера на миниатюрните ускорители

Успешното функциониране на NEA бележи повратна точка във физиката на ускорителите. Макар че големите колайдери на частици ще продължат да играят решаваща роля във фундаменталните изследвания, миниатюрните ускорители могат да предизвикат революция в медицината, материалознанието и електрониката.

Възможността да се произвеждат високоенергийни електрони в рамките на микроскопично устройство отваря вратата към портативни диагностични инструменти, усъвършенствани системи за изображения и нови методи за изследване на материята в наномащаб.

Големият адронен колайдер е 54 милиона пъти по-дълъг от вакуумната тръба на нанофотонен ускорител на електрони. Кредит: Wikimedia Commons

С усъвършенстването на технологията от страна на изследователите приложенията на нанофотонните ускорители ще продължат да се разширяват, като могат да променят облика на множество научни и медицински области.

Този миниатюрен ускорител, не по-голям от оризово зърно, показва, че бъдещето на физиката на високите енергии не е свързано само с изграждането на по-големи съоръжения, но и с това да ги направим по-малки и по-достъпни.

Справка: McQueen, C.J.G., Wilson, R., Frazer, T.P. et al. A neural network-based synthetic diagnostic of laser-accelerated proton energy spectra. Commun Phys 8, 66 (2025). https://doi.org/10.1038/s42005-025-01984-8 

Източник: World’s smallest particle accelerator could revolutionize medicine and physics, The Brighter Side of News

Още по темата

27/10/2023

Физика

Най-малкият ускорител на частици в света е по-малък от монета и работи

17/05/2017

Физика

Стартира "Сезам" - първият ускорител на частици в Близкия изток

18/03/2016

Космос

Галактически ускорител на частици в центъра на Млечния път

26/11/2015

Физика

Настолен ускорител на частици - до 5 години