Kochanie, zmniejszyłem akcelerator cząstek: budowa mniejszych, bardziej efektywnych zderzaczy
27-kilometrowy Wielki Zderzacz Hadronów w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) umożliwił dokonanie licznych odkryć, spośród których do najgłośniejszych należało potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa. Przy obecnej technologii akceleratorów trudno będzie jednak o kolejne dokonania tej rangi. „Na pewno można by zbudować większe i mocniejsze akceleratory, ale ich koszt, zużycie energii i wpływ na środowisko stawiają pod znakiem zapytania możliwość ich długoterminowego utrzymania”, mówi Maurizio Vretenar, koordynator finansowanego przez UE projektu ARIES. „Ponadto tylko 5% wszystkich akceleratorów na świecie jest wykorzystywanych do badania cząstek. Większość jest używana w medycynie i przemyśle do celów takich jak leczenie nowotworów, obrazowanie medyczne czy sterylizacja sprzętu i żywności”. W ramach projektu ARIES zbadano szereg innowacyjnych technologii, które mogą umożliwić budowę akceleratorów nowej generacji, charakteryzujących się lepszymi osiągami, wyższą niezawodnością, niższymi koszty i udoskonaloną konstrukcją. „To bardzo obiecujące zmiany, ponieważ akceleratory dostarczające wysokie energie przy niewielkich rozmiarach mogą umożliwić prowadzenie badań i tworzenie zastosowań, do jakich potrzeba obecnie dużych obiektów”, zauważa Vretenar.
Zwiększenie tempa innowacji
Konsorcjum ARIES, składające się z 42 członków reprezentujących środowiska akademickie i przemysłowe z 18 krajów europejskich, skupiło się na innowacjach, które dają największe szanse na zmniejszenie zapotrzebowania na energię, rozmiarów i wpływu na środowisko przyszłych akceleratorów. „Zbadaliśmy szereg technologii, w tym magnesy i powłoki nadprzewodzące, nowe materiały oraz systemy akceleracji laserowej i plazmowej”, mówi Vretenar, który jest fizykiem w CERN, instytucji będącej gospodarzem projektu. Efektem przeprowadzonych przez zespół prac nad wysokotemperaturowymi magnesami nadprzewodzącymi jest powstanie zaawansowanych taśm wielowarstwowych, które zostały wykorzystane do produkcji cewek do dużych magnesów. Dzięki nim możliwe jest uzyskanie silniejszego pola magnetycznego o większym natężeniu prądu, które pozwoli zakrzywiać tor cząstek na łuku o mniejszym promieniu, co oznacza szansę budowy mniejszych, bardziej efektywnych akceleratorów. „Nasze osiągnięcie jest przełomowe. Wyprodukowaliśmy 413 metrów taśmy, przetestowaliśmy jej fragment w niskich temperaturach i uzyskaliśmy rekordową gęstość prądu elektrycznego”, wyjaśnia Vretenar. „Możliwość generowania tak wysokich energii przy pomocy niewielkiego urządzenia otworzyłaby przed naukowcami fascynujące możliwości”. Wyniki badań przeprowadzonych w ramach inicjatywy ARIES umożliwiły już konsorcjum EuPRAXIA rozpoczęcie prac nad ostatecznym projektem i planem budowy pierwszego w historii plazmowego akceleratora cząstek w Narodowym Laboratorium we Frascati pod Rzymem. Plazma będzie w nim modulowana przez wiązkę napędową, która generuje niezwykle silne pola elektryczne. Wewnątrz można przyspieszać elektrony do wysokich energii na odległości 1000 razy mniejszej, niż jest to wymagane w przypadku konwencjonalnych akceleratorów pracujących na częstotliwościach radiowych.
Nowe korzyści środowiskowe
Zespół wskazał także, opracował i przetestował nowe zastosowania akceleratora, które mogłyby przynieść korzyści środowiskowe, dotyczące na przykład oczyszczania ścieków komunalnych. Opracował nowy oparty na akceleratorze system usuwania siarki, azotu i cząstek stałych ze spalin okrętowych silników wysokoprężnych. Transport należy do głównych trucicieli w skali globalnej, dlatego tak istotne jest, że nowy system może być instalowany na starych kontenerowcach i tankowcach. „Nigdy nie zapomnę wyrazu twarzy kapitana w stoczni w Rydze, gdy zamontowaliśmy nasz akcelerator cząstek na kominie jego statku. Był niezwykle dumny, że jego stary, zardzewiały holownik wziął udział w zaawansowanym technologicznie eksperymencie”, mówi Vretenar. Zespół ARIES pomógł wyłonić szereg nowych technologii, w tym rozwiązań plazmowych EuPRAXIA, na potrzeby Europejskiego Forum Strategii ds. Infrastruktur Badawczych, które obejmuje kilka projektów związanych z akceleratorami. Rozpoczął także realizację nowego unijnego projektu I.FAST, który ma umożliwić przyspieszenie transferu technologii akceleratorów do przemysłu.
Słowa kluczowe
ARIES, cząstka, akcelerator, elektron, plazma, magnes, pole elektryczne, CERN, atomy, energia