Je leest:

Surfen op plasma

Surfen op plasma

Auteur: | 20 mei 2003

In het Stanford Linear Accelerator Centre (SLAC) laten natuurkundigen positronen surfen op plasma. Deze plasma wakefield-methode geeft de deeltjes sneller hun energie dan gangbare ontwerpen. Een volwassen versneller van dit type kan daarom veel kleiner zijn dan de kilometers lange ontwerpen van dit moment. De leden van SLAC-team kunnen met hun methode de energieën van bestaande versnellers al een beetje benaderen.

Natuurkunde is helemaal niet zo moeilijk. Neem het onderzoek naar elementaire deeltjes, de bouwstenen van alle materie en krachten. Hoe kom je er nou achter wat voor eigenschappen zo’n deeltje heeft? Simpel! Stop het in een versneller, jaag het op tot bijna de lichtsnelheid, en laat het op een tegenligger klappen. Hoe harder de botsing, hoe interessanter de brokstukken, maar daarvoor zijn wel steeds sterkere versnellers nodig. Plasma wakefields hebben als voordeel dat ze sterk én compact zijn.

Deze simulatie laat positief en negatief geladen golven in een plasma zien. De blauwe ovaal veroorzaakt deze golven: het is een laserpuls die naar rechts beweegt. In één van de positieve gebieden wordt een kluitje elektronen versneld: het witte ovaaltje. bron: Cern Courier

Surf’s up!

Een plasma bestaat niet uit kwetsbare elektronica, maar uit ionen en elektronen die vrij kunnen bewegen. De SLAC-onderzoekers schieten een plasma aan met een hele korte en sterke laserpuls, die de elektronen en ionen tijdelijk nog verder uit elkaar drijft. Die verstoring veroorzaakt een golfpatroon (wakefield) van positief en negatief geladen gebiedjes in het plasma. Dat patroon beweegt met hoge snelheid door het plasma heen. Een deeltje dat met precies de juiste snelheid en op het juiste moment in het patroon zit, kan op de golven meesurfen. Het krijgt een enorme hoeveelheid energie uit het plasma en schiet er aan de andere kant weer uit.

Op de eerste helling van dit golfpatroon balanceert een elektron. Als het met precies de juiste snelheid op die helling is gekomen, kan het daar blijven balanceren. Doordat het elektron langs de golf ‘naar beneden glijdt’ pikt het energie en een enorme versnelling op uit het plasma. bron: Korea Elektrotechnology Research Institute (KERI)

Beperking aan energiesprong

In de huidige versnellers worden deeltjes met verschillende technieken tot vlakbij de snelheid van het licht gebracht. In het ene ontwerp reist de deeltjesbundel door een reeks wisselende elektrische velden, andere versnellers bestoken de deeltjes met straling die hun snelheid doet toenemen. Energiesprongen van meer dan 100 megavolt per meter zijn technisch echter niet mogelijk; de apparatuur kan zulke elektrische velden niet aan. Bestaande versnellers kunnen een deeltje een miljoen megavolt (een teravolt) aan energie meegeven, maar hebben daar vele kilometers voor nodig. Met de plasma-versneller zijn grotere energiesprongen op veel kleinere afstanden mogelijk. Een zelfde lengte aan versneller levert dan deeltjes met hogere energie op. En daarmee kunnen hele nieuwe generaties aan exotische deeltjes worden onderzocht.

De Large Hadron Collider (LHC) is op dit moment in aanbouw bij CERN in Genève. Eenmaal operationeel kan deze gigantische cirkelvormige versneller deeltjes tot 7000 GeV versnellen. LEP, de voorganger van de LHC, kwam met kunst en vliegwerk tot 100 GeV. Het SLAC-team denkt niet dat versnellers op plasma-basis snel gebouwd zullen worden, maar een eerste test is mogelijk door een kleine plasmaversneller als laatste stap in een conventionele versneller te gebruiken. bron: CERN (Centre Européen de Recherche Nucléaire CERN

Nieuwe deeltjes of oude bekenden?

Een botsing tussen subatomaire deeltjes levert niet alleen maar de bouwstenen van die deeltjes op. Alle aanwezige energie, dus de bewegingsenergie én de energie die (volgens E = mc2) in de massa van de deeltjes zelf zit, komt bij elkaar en vormt compleet nieuwe deeltjes. Die deeltjes zijn voor de botsing niet aanwezig! Hoe meer energie, hoe zwaarder (en onstabieler) de reactieproducten. Die vallen in een oogwenk uiteen in lichtere producten, wat een hele fontein aan deeltjes oplevert. Daarom zijn er ook geavanceerde computers en detectoren nodig om alle reactieproducten te volgen: alleen daarmee kunnen de onderzoekers uitvinden of een van de eerste producten een nieuw deeltje was of een oude bekende.

Het geweld van botsende deeltjes maakt een enorme hoeveelheid energie vrij. Daaruit ‘condenseren’ de reactieproducten. In deze (ingekleurde) foto van een bellenvat zijn de banen van die deeltjes te zien. De banen zijn krom omdat een magneetveld is aangebracht. Uit de kromming van de banen kunnen massa en snelheid van de deeltjes worden bepaald. bron: CalTech

In het verleden is er altijd een gezonde race geweest tussen de grote versnellers in de V.S. (SLAC en FermiLab) en het Europese CERN. De zoektocht naar deeltjes als het Higgs boson of naar supersymmetrische deeltjes vraagt namelijk steeds meer botsingsenergie. De wapenwedloop is daarom nog lang niet voorbij: natuurkundigen zouden maar al te graag duizend keer sterkere versnellers tot hun beschikking hebben. Gelukkig voor hen is er geen Front voor de Bevrijding van Mishandelde Deeltjes. De stroomrekening voor de versnellers levert al genoeg hoofdbrekens op!

Over plasma’s:

Onderzoek naar subatomaire deeltjes:

De grote versnellers:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 20 mei 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.