Laser na promieniowanie gamma coraz bliżej urzeczywistnienia
Budowa lasera na promieniowanie gamma od dawna stanowiła dla naukowców wyzwanie. Standardowy laser wytwarza koherentne wiązki światła widzialnego. Podobnie miałoby być w przypadku tego szeroko omawianego, choć jeszcze nie skonstruowanego urządzenia. Miałoby ono wytwarzać koherentne wiązki promieniowania gamma, co stworzyłoby nowe możliwości technologiczne dla badań i przemysłu. Do tej pory, proces wytwarzania koherentnych fotonów gamma był zaburzony przez podstawowe mechanizmy lub ograniczenia technologiczne. W ramach finansowanego przez UE projektu GAMMALAS (Towards gamma-ray lasers via super-radiance in a Bose-Einstein condensate of 135mCs isomers), zespół badaczy zaproponował metodę wytwarzania koherentnych fotonów gamma, która eliminuje najważniejsze utrudnienia. Proces emisji promieniowania gamma na „chłodno” Rozwiązania dotyczące takiego urządzenia proponowane przez projekt GAMMALAS umożliwiają jego powstanie przy wykorzystaniu dostępnej obecnie technologii. „Nasze podejście opiera się na chłodzeniu wiązki laserowej i magnetyczno-optycznym wychwytywaniu jąder cezu. W odróżnieniu od innych pierwiastków, które braliśmy pod uwagę, do zaproponowanej techniki cez nadaje się doskonale”, mówi prof. Ferruccio Renzoni. „Pomysł zakładał schłodzenie izomerów cezu do temperatury 100 nanokelwinów, a następnie wytworzenie kondensatu Bosego-Einsteina. W tak ekstremalnie niskiej temperaturze, atomy o wzbudzonych jądrach zaczynają wykazywać czysto kwantowe właściwości, co w szczególności obejmuje koherencję przestrzenną”, wyjaśnia dalej prof. Renzoni. „W tym stanie, wzbudzone jądra emitują swoją energię jednocześnie, uruchamiając potężny impuls koherentnego promieniowania gamma”. Rozwiązanie zaproponowane przez zespół pozwala obejść trzy główne problemy dotyczące: akumulacji dużych ilości izomerycznych jąder, zawężania wiązki emitowanej przez laser oraz przekraczania teoretycznych ograniczeń gęstości mocy fotonów. W ramach prac w projekcie GAMMALAS, w Laboratorium Akceleratora na Uniwersytecie Jyväskylä w Finlandii, zbudowano też eksperymentalny obiekt do chłodzenia wiązki laserowej radioaktywnego izotopu cezu oraz do wytwarzania koherentnego promieniowania gamma. W obiekcie tym cykliczny akcelerator cząstek (cyklotron), wytwarza niestabilne jądra cezu. Następnie cez jest neutralizowany wskutek dodania poprzez implantację cienkiej folii wygenerowanych zewnętrznie elektronów. Nowo-opracowany system laserowy wychwytuje i chłodzi 135Cs i inne pożądane jego izotopy do temperatury około 150 mikrokelwinów. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, pierwsze testy wychwytywania 135Cs zostaną przeprowadzone zgodnie z planem na wiosnę 2018 r. Najwyższa forma światła Możliwość wytworzenia koherentnych fotonów gamma umożliwi naukowcom zbadanie kilku zagadnień kluczowych dla fizyki i nauki w ogóle. Niewątpliwie, korzyści płynące z tak przełomowego rozwiązania będą spektakularne. „Wyniki projektu GAMMALAS przetrą szlaki dla dalszych badań ultra-schłodzonej materii jądrowej, która łączy fizykę atomową i jądrową. Co więcej, koherentne promienie gamma umożliwią prowadzenie analiz spektroskopowych o wysokiej rozdzielczości i ułatwią śledzenie groźnych, wybuchowych lub radioaktywnych izotopów”, zakańcza prof. Renzoni. Koherentne promieniowanie gamma mogłoby także zostać wykorzystane w kilku użytecznych zastosowaniach z życia codziennego. Na przykład, umożliwi ono proces bardzo precyzyjnego obrazowania, co w znaczący sposób wpłynie na zarządzanie radioterapią stereotaktyczną na potrzeby zwiększenia skuteczności leczenia guzów mózgu. Sektor energetyczny także skorzysta z wytwarzanych zgodnie z zapotrzebowaniem koherentnych fotonów gamma. Przechowywanie i odzysk energii z jąder izomerycznych może potencjalnie zrewolucjonizować technologie produkcji baterii, gdyż gęstość energii może wzrosnąć o kilka rzędów wielkości.
Słowa kluczowe
GAMMALAS, cez, laser na promieniowanie gamma, koherentne promieniowanie gamma, izomery, chłodzenie lasera, spektroskopia z użyciem promieniowania gamma, radioterapia
