A fizikusok egy olyan részecskegyorsító tervein dolgoznak, amely radikálisan kisebb és olcsóbb lehet, mint a meglévő létesítmények. Az tervek mögött álló, wakefield-gyorsításnak nevezett technikát az 1970-es évek óta tanulmányozzák, de csak most indult gyors fejlődésnek a terület.

A fizikusok a részecskegyorsítókat a részecskék intenzív tanulmányozására használják, és hogy új részecskéket fedezzenek fel. Most, hogy a szakértők a következő nagy részecskeütköztetők terveit, a wakefield-kutatók is igyekeznek a részvételi lehetőséget kapni. Patric Muggli, a müncheni Max Planck Fizikai Intézet gyorsítófizikusa szerint eljött az idő arra, hogy a részecskegyorsítókból kuriózum helyett rutin eszköz váljon, amihez új megoldásokra van szükség.

A wakefield-gyorsítás során az elektronok egy másik részecskenyalábbal vagy lézerrel létrehozott plazma (ionizált gáz) hullámán „szörföznek”. A hagyományos gyorsítók üregei – például a Nagy Hadronütköztetőben (LHC) találhatóak, amelyek elektromágneses mezőket használnak a részecskék gyorsítására – nagy mezőerősségnél hajlamosak a szikrázásra. A plazmával töltött modulok azonban ellenállnak az extrém mezőknek. Ez azt jelenti, hogy a wakefield-technológiával centiméteres távolságokon 1000-szer nagyobb gyorsulást lehet elérni, mint a hagyományos technikákkal. Ha ezt méretarányosan alkalmaznák, akkor a gyorsítók méretét kilométeresről méteresre lehetne csökkenteni.

A wakefield-gyorsítók legnagyobb akadályai közé tartozik, hogy több kamrát kell bennük összefűzni, hogy a részecskék energiáját megfelelő szintre növeljék, valamint hogy egységes és azonos nyalábokat hozzanak létre. További kihívást jelent majd a pozitronok felgyorsításának elsajátítása, valamint annak eldöntése, hogy milyen típusú wakefield-gyorsítót állítsanak elő.

A következő négy évben a kutatók azt tervezik, hogy a technikai kihívásokon dolgoznak, és kiválasztanak egyetlen, legígéretesebb módszert, amely tíz év múlva egy demonstrációs szerkezet alapja lesz, mondja Spencer Gessner, a kaliforniai SLAC Nemzeti Gyorsító Laboratórium részecskefizikusa. A wakefield-gyorsítás „sokkal kisebbé teheti a lábnyomunkat, olcsóbb, valamint hihetetlenül rugalmasnak és skálázhatónak is tűnik”, teszi hozzá Nicole Hartman, a Müncheni Műszaki Egyetem kísérleti részecskefizikusa.

A wakefield-technológia ugyanakkor még nem elég érett ahhoz, hogy a következő nagy ütköztetőben, egy „Higgs-gyárban” használják, amelyben precíziós vizsgálatok során elektronokat és pozitronokat ütköztetnek majd, és amely az LHC utódja lehet. Viszont ígéretes iránynak tűnik az azt követő ütköztető számára. A kaliforniai Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium egyik csapata tavaly olyan kísérletek során, amelyekben a részecskenyalábot lézerrel gyorsították, igazolták, hogy az elektronokat 10 milliárd elektronvolt (eV) energiára lehet gyorsítani mindössze 30 centiméteren. Ez már körülbelül egy tizede annak az energiának, amelyet az LHC elődjének, a Nagy Elektron-Pozitron Ütköztetőnek a sugárnyalábjai 27 kilométer alatt elértek.

A SLAC és a hamburgi Német Elektron Szinkrotron (DESY) kutatói pedig azon dolgoznak, hogy a nyalábok fókuszát és a részecskeenergiák terjedését még szorosabbra vegyék. A DESY fizikusai a Nature folyóiratban a napokban megjelent tanulmányukban arról számoltak be, hogy képesek voltak olyan egyenletes sugárnyalábot létrehozni, mint amilyeneket a hagyományos gyorsítással állítanak elő.

A wakefield-gyorsítás hívei remélik, hogy a technológia egy változata időben elkészülhet, hogy a 2050-es években ennek szellemében kezdődhessenek meg a Higgs-gyár korszerűsítésének munkálatai. Ez akár hússzorosára, mintegy 500 milliárd eV-ról 10 billió eV-ra növelné a létesítmény energiáját, hogy új részecskék és erők után kutathassanak a kutatók. 2023 decemberében a Részecskefizikai Projektek Prioritási Testületének tagjai – egy befolyásos csoport, amely tanácsot ad az amerikai finanszírozási prioritásokról – is javasolták, hogy más módszerek mellett a wakefield-gyorsítást is kiemelten vizsgálják, mint lehetséges fejlesztési irányt.

De hogy ez megtörténik-e, az nagyban függ attól, hogy Európa milyen utat választ az LHC utódjaként. Az európai részecskefizikusok stratégiái jelenleg átdolgozás alatt vannak, egy olyan folyamat során, amely várhatóan jövő januárban zárul le. Az eddig közzétett beadványokban a kutatókat arra kérték, hogy vizsgálják meg a wakefield-gyorsítás alkalmazását is a kísérletek és az ütköztető kialakításának mérlegelése során. Ha a közösség a Higgs-gyár tervezésekor lineáris gyorsítót választ megoldásként, akkor a wakefield-gyorsítás lehet a magától értetődő választás, amikor ezt korszerűsíteni kell.

De úgy tűnik, hogy jelenleg nem a lineáris kialakítás a legesélyesebb befutó. A CERN már 113 millió svájci frankot költött egy 91 kilométeres körkörös elektron-pozitron ütköztető tervezésére. Azt remélik, hogy ezt végül protonokkal működő rendszerré alakítják át, amelyek nehezebbek és nagyobb energiájúak, mint az elektronok. Ez lehetővé tenné a fizikusok számára, hogy a 2070-es években új részecskéket fedezzenek fel – a wakefield-technológia nélkül is.

De még ha a CERN ütköztetőjének terve így is valósul meg, a wakefield-gyorsítás máshol használható lehet, mondja Muggli. Egy Kínában tervezett körkörös elektron-pozitron ütköztetőnél, amely az európai rendszer potenciális riválisa, már tárgyalnak a wakefield-gyorsítás beépítéséről a gép részecske-injektor berendezésébe, mondja a kutató. A technikát ráadásul szobaméretű szinkrotronok és szabadelektron-lézerek előállítására is lehetne használni, amelyek röntgensugarakat hoznak létre az anyagok és biológiai minták tanulmányozására.