Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vědcům se s pomocí laser-plazmového urychlovače podařilo vytvořit radioaktivní záření, které je srovnatelné s tím, jež obklopuje naši planetu. Kosmické záření a jeho vliv na vesmírné přístroje i lidský organismus tak bude možné zkoumat přímo na Zemi.
Vesmírná radiace představuje jednu z hlavních překážek pro pilotované výpravy mimo Zemi. Vysoce energetické ionizující částice ze Slunce a z hloubky vesmíru jsou velmi škodlivé pro lidské zdraví, protože procházejí kůží a nevratně poškozují buňky a DNA. Radiace navíc může způsobit chyby dat na satelitech a poškodit zařízení, která jsou na raketách a satelitech umístěna.
Nejobvyklejší cestou, jak vliv záření prozkoumat, jsou experimenty prováděné přímo v kosmu. To je ovšem způsob velmi drahý a nepraktický. Fyzici se proto teď rozhodli pro obrácený postup – vytvořili radiační podmínky, které panují v kosmickém prostoru, přímo na Zemi. Ukázalo se však, že to je neočekávaně složitá úloha.
Fyzici nejprve používali konvenční cyklotrony a lineární urychlovače částic. Ty však neprodukovaly částice zcela odpovídající těm, jež se nacházejí v reálném kosmickém záření. Řešení nedávno našli britští fyzici z University of Strathclyde. Využili laser-plazmový urychlovač a podařilo se jim vytvořit širokopásmové elektronové a protonové záření typické pro van Allenův pás – zónu částicového záření, ve které jsou ochranným magnetickým polem Země zachyceny částice slunečního větru.
Jak vlastně laser-plazmové urychlování funguje? V literatuře se uvádí velmi názorný příklad. Urychlovač vystřelí intenzivní laserový paprsek do plazmatu, tj. do shluku volných elektronů a iontů. To má podobný efekt, jako když rychlý člun vyrazí na klidnou vodní hladinu. Za člunem i za paprskem plazmového urychlovače se vytvoří brázda. Když je taková brázda dost intenzivní, může se na ní svézt surfař nebo v našem případě urychlovaná částice. Laserové impulzy urychlovače vytvoří v plazmatu brázdu zvlněné koncentrace elektronů a podélného elektrického pole, tzv. brázdové pole (wakefield).
V plazmových urychlovačích vznikají elektrická pole, která jsou sto až tisíckrát intenzivnější než v běžných urychlovačích. Podle údaje z roku 2014 například urychlovač SLAC v National Accelerator Laboratory ve Stanfordu potřeboval přes tři kilometry délky, aby elektrony získaly energii 50 GeV. Leemanův experimentální laser-plazmový urychlovač zvládne 1 GeV na několika centimetrech. Háček je v tom, že k vytvoření zmíněného brázdového pole je potřeba extrémně výkonného laseru. V centru BELLA měli už před několika lety petawattový laser, paprsek však trval jen 40 femtosekund.
Urychlovač v britském experimentu funguje tak, že laser pálí paprsek s vysokým výkonem a intenzitou na malý cíl v podobě tenké kovové fólie o několika čtverečních mikrometrech. Intenzita laserového pulzu znamená, že vzniklé elektrické pole je řádově větší než meziatomové coulombovské síly. Cílová fólie se tedy okamžitě změní v plazma. Částice plazmatu, elektrony a protony jsou urychlovány intenzivním elektromagnetickým polem laseru a poli ostatních částic plazmatu. Hranice, při které k tomu dochází, závisí na počáteční pozici částic a výsledkem je obrovský rozsah energií.
Tým studoval částice plazmatu pomocí různých detektorů, jako jsou zobrazovací desky citlivé na elektrony, radiochromické filmy pro protony a scintilační fosforové obrazovky. K tomu aby dokázali, že skutečně vytvořili radiaci, která je srovnatelná s tou skutečnou v kosmickém prostoru, zúčastnění fyzici využili simulace NASA. Ty jsou sice založené jen na modelování a malém množství měření, nicméně reprezentují ty nejlepší znalosti, které jsou zatím k dispozici. Další úlohou bylo dokázat, že systém může být skutečně použit k testování vlivu kosmického záření tím, že byly částicemi ozařovány optocouplery. To jsou obecně zařízení, která přenášejí elektrický signál mezi izolovanými obvody. Protože jsou charakterizovány koeficientem přenosu proudu, měřením jejich výkonu bylo možno přímo monitorovat radiační poškození.
Experiment by mohl přinést zásadní pokrok v oblasti zkoumání vlivu kosmické radiace na člověka i ve vývoji odolnějších zařízení. Úkolem vědců teď bude vyvinout spolehlivé testovací metody. Nezbytným předpokladem je ovšem výkonný laser. Slibně se jeví nově instalovaný a podle všeho i na světě nejvýkonnější laser ve Strathclyde. Ten stojí ve Scottish Centre for the Application of Plasma-based Accelerators (SCAPA) ve třech bunkrech izolovaných proti radiaci. Dalším milníkem na cestě k menším a výkonnějším urychlovačům bude nejspíš zařízení LUX vyvíjené ve spolupráci univerzity v Hamburku, DESY a ELI Beamlines. Během prvních testovacích výstřelů urychlil LUX elektrony na zhruba 400 MeV pomocí plazmové cely jen několik milimetrů dlouhé. Na tuto energii potřebuje klasický lineární urychlovač přibližně 70 metrů.
Původní experiment je popsán v Scientific Report.
autor: Jana Štrajblová
Převzato z Matfyz.cz.
