Gyorsító fizika Fény a jövővel - a tudomány spektruma
Gyorsító fizika: fény jövővel
A hannoveri Expo nyolc hamburgi projektjének egyikeként másfél évvel ezelőtt szenzációt váltott ki: a tervezett szupravezető részecskegyorsító, a Tesla (TeV energia szupravezető lineáris gyorsító) a hamburgi Desy Fizikai Kutatóközpontban. A Teslát úgynevezett lineáris ütközőként tervezték: az elektronoknak és antirészecskéiknek (positronjaiknak) körülbelül tizenöt kilométeres távolságban el kell érniük 500-800 milliárd elektronvolt energiát, majd frontálisan ütközniük. Elsősorban azt reméljük, hogy ez alapvető új ismereteket nyújt az elemi részecskékről és azok kölcsönhatásairól.
A vizsgálati létesítményben a legfontosabb alkatrészeket előzetesen, sokkal rövidebb úton ellenőrizzük. Ezek különösen a nagy tisztaságú nióbiumból készült, körülbelül egy méter hosszú szupravezető üregrezonátorok, amelyek az elektronokat a bennük keletkező elektromágneses nagyfrekvenciás mezőkkel hajtják. Ezekből körülbelül 20 000-et terveznek a Teslára.
A gyorsító azonban egy másik célt is szolgál: az operátorok az elektronnyaláb kiváló minőségét egy szabad elektron-lézerhez (FEL) kívánják felhasználni, amely a korábban elérhetetlen UV-tartományon túl működő spektrális tartományokban működik. A vizsgálati létesítmény előzetes verziójával a lézerfény villanását az ultraibolya fényben 109 nanométeren már 2000 februárjában generálták - ez világrekord. Időközben a hullámhossz 80 és 180 nanométer között változtatható az elektronok energiájának felhasználásával, és a FEL maximális lehetséges amplifikációját (telítettségét) 2001 szeptemberében 98,1 nanométeren érték el. A fényimpulzusok csúcsteljesítménye a gigawatt-tartományban van. További bővítéssel a lágy röntgensugarat hat nanométeresre is ki kell fejleszteni 2004-re.
Eddig a gyorsítók csak szinkrotron sugárzást generáltak. Bár gyakran intenzívebb és rövidebb hullámú, mint a normál fény, nem koherens: a lézersugárzással ellentétben a fotonok nem oszcillálnak egyöntetűen, és folyamatos energiaspektrumot fednek le, ahelyett, hogy mindegyikük azonos energiával rendelkezne. A szinkrotron sugárzást általában olyan elektronok bocsátják ki, amelyek egy szinkrotronban keringő úton keringenek. Eredetileg meglehetősen nemkívánatos melléktermékként a nagy energiájú sugárzás számos fontos alkalmazást talált - a mikroelektronika finomszerkezeteinek előállításától a molekulák háromdimenziós szerkezetének kutatásáig, az orvosi vizsgálatokig, például a koszorúerek ábrázolásáig.
Emiatt a saját generációjuk számára már régóta építenek növényeket. A szinkrotron sugárzás legkorszerűbb forrásaiban, mint például a berlini Bessy II vagy a grenoble-i European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), a fényerő (ragyogás) 10 000-szeresére volt lehetőség. Ehhez az elektronokat periodikus mágneses struktúrák - úgynevezett undulátorok - segítségével szlalom pályára kényszerítik. Ezután összekapcsolt elektromágneses sugárzást küldenek a repülés irányába, amelynek hullámhossza kinetikus energiájuktól és a mágneses tér erősségétől függ.
A szabadelektronú lézerek, amelyekből világszerte már néhány tucat van (beleértve a Rossendorf Kutatóközpontot, a Darmstadti Műszaki Egyetemet és a Dortmundi Egyetemet), lehetővé teszik a fényerő további jelentős növekedését. Itt is elektroncsomagokat küldenek a modulátorokon keresztül. Ezek azonban sokkal tömörebbek, mint a szinkrotron sugárzást tároló gyűrűben, és a létrehozott fényimpulzusok ezerszer rövidebbek és tízezerszer intenzívebbek. Mint a lézereknél, az impulzusok is koherens fényből állnak: a fotonok egységesen oszcillálnak, míg a normál szinkrotron sugárzásban rendezetlenül mozognak.
A koherencia elérése érdekében a jelenleg működő FEL-ek nagy része - a klasszikus lézerekhez hasonlóan - olyan tükörrendszerrel rendelkező optikai rezonátort használ, amelyben a fénymező többször visszaverődik, és minden új elektroncsomag tovább erősíti. John Madey - jelenleg a Honolulu-i Hawaii Egyetemen - ezt az elvet javasolta disszertációjában a kaliforniai Stanford Egyetemen 1970-ben, és ott alkalmazta 1977-ben kollégáival. A Tesla tesztberendezés üzembe helyezése előtt az ultraibolya fényben az ily módon elért legrövidebb hullámhossz (az észak-karolinai Durhamben, Novosibirszk FEL-jével) 193,7 nanométer volt; ez most 189 nanométer (európai FEL projekt az Elettrában, Triesztben, Olaszország).
Ha még rövidebb hullámhosszra akarsz menni, akkor többszörös áthaladás nélkül kell megtenni a tükröket, mert a rövid hullámú röntgensugarak nem tükröződnek megfelelő módon. Ezért sok éven keresztül lehetetlennek tűnt FEL felépítése a röntgenszektor számára.
De Anatolij Kondratenko és Evgeni Saldin már 1980-ban megmutatta a kiutat. Eszerint a sugárban lévő elektronokat olyan rendszeresen kell elrendezni, hogy azok távolsága megfeleljen a kibocsátott sugárzás hullámhosszának. Ezután koherens módon felerősítik a fényhullám amplitúdóját, és így a lézerhatást úgy hozzák létre, hogy a nyaláb csak egy hullámhosszon halad át egy hosszú hullámzón; több lépésben történő fokozatos erősítésre szolgáló optikai rezonátorra már nincs szükség.
Önerősítő sugárzási lavina
Kimutatták, hogy egy kezdetben rendezetlen elektronnyaláb elegendő intenzitással ilyen szabályos sűrűségmodulációt kaphat az általa generált hullámzó sugárzással való kölcsönhatás révén: Minél erősebb az elektromágneses hullám, annál hatékonyabb a stimuláció, és a koherens hullám lavinaként növekszik. Ez a hatás önerősített spontán emisszióvá válik (önerősített spontán emisszió, Sase) hívott.
A Sase-elvet már 1984-ben bemutatták a Lawrence Livermore Laboratóriumban. Az infravörös tartományon alapuló FEL-t 1998-ban építették Los Alamosban. 2000-ben az Argonne Nemzeti Laboratórium fejlett fotonforrása 530 nanométeres hullámhosszúsággal a látható fény tartományába jutott. Most lézerhatást ért el 265 nanométeren. Amint azt Argonne és most Desy esetében is bemutatták, a lézer fényintenzitása az undulátor hosszával exponenciálisan növekszik.
A kaliforniai Stanford Lineáris Gyorsító Központ kutatói először egy Sase-FEL-et terveztek a röntgensugaras tartományban. Eddig azonban Desy gyorsabbnak bizonyult a megvalósításban. 80–180 nanométeres FEL-jével jelenleg a világ tetején áll.
Mire jó ez a rövid hullámú FEL sugárzás? Többek között nagy ragyogásuk lehetővé teszi erősen hígított minták - például atomok, molekulák és klaszterek ("atomcsoportok") - vizsgálatát a gázfázisban. Ezekből a részecskékből származó sugarak sűrűsége általában olyan alacsony, hogy csak intenzív lézerfénnyel lehet kísérleteket végezni. Ezenkívül a lézerimpulzusok közötti időintervallum picosecundon belül (másodperc billiómilliárd) állítható be. Ez lehetővé teszi a kémiai reakciók ezen idősávban zajló elemi folyamatainak kutatását. Valójában a Tesla vizsgálati létesítmény FEL-jében jelenleg előállított mintegy száz nanométeres lézerfény hullámhossz pontosan megfelel a kémiai reakciókat meghatározó külső elektronok kötési energiájának. Még rövidebb, hat nanométeres hullámhosszakkal, amelyeknek 2004-től elérhetőnek kell lenniük, akkor eltávolíthatók a belső elektronok is, amelyek ionizációs energiával rendelkeznek az egyes elemekre.
Egy másik fontos alkalmazás a biológiai minták - például fehérjék, vírusok és élő sejtek - vizsgálata. Rövid hullámú sugárzás nagyon gyorsan károsítja őket - röntgen mikroszkóppal körülbelül ötven pikoszekundum után, és strukturális elemzéssel akár tíz-száz femtoszekundum (másodperc negyedmilliárd) után is. A néhány femtoszekundumos FEL vaku lehetőséget ad nagy felbontású kép készítésére, mielőtt a sugárkárosodás megváltoztatta a mintát.
Ez forradalmat jelentene a strukturális és funkcionális tanulmányok számára. Például a mioglobin oxigénfelvételét "leforgatni" lehet. Ez az izomfehérje hasonló a vörösvér pigment hemoglobinhoz, és átveszi belőle az oxigént, hogy ellátja az izomszövetet. Ennek a folyamatnak a mozgóképeinek megszerzéséhez nagy intenzitású röntgenlézerrel végzett diffrakciós kísérletekre lenne szükség - egyelőre csak pillanatfelvételek készültek a szinkrotronforrással a grenoble-i ESRF-ben.
Az élő sejteken végzett röntgenmikroszkópiához azonban a sugárzásnak 2,3 és 4 nanométer közötti hullámhosszúnak kell lennie, hogy a citoplazmában található bőséges víz csak gyengén szívja fel. A röntgenszerkezet elemzéséhez még nanométer alatti hullámhosszra is szükség van; Ugyanis a biomolekula atomjai közötti távolságok ebben a tartományban vannak, és a diffrakciós hatások, amelyeken a szerkezeti elemzés alapul, csak akkor jelentkeznek, ha az alkalmazott sugárzás hullámhossza hasonlóan kicsi. Ilyen vizsgálatok csak a Tesla FEL-jével lehetségesek, amelynek röntgensugárjának állítólag 0,1 nanométeres hullámhosszat kell elérnie az elektronoknak a hosszú gyorsulási úton adott nagy energiának köszönhetően.
Kettős előny
A nagy energiájú fizikusok számára a Tesla lenne az ideális megfelelője a genfi Cernben található nagy hadronütközőnek (LHC), amelyben protonokat és ionokat lőnek egymásra elektronok helyett. Az LHC a tervek szerint 2006-ban kezdi meg működését. A Tesla projektről szóló döntés legkésőbb 2003 végéig esedékes. Ha pozitívnak bizonyul, akkor az alagút pajzshajtása hat hónappal később megkezdődhet. Összesen mintegy nyolcéves építkezésre lehet számítani. Ennek megfelelően 2010/11-ig kell eltelnie, mire az első földalatti részecske-ütközés bekövetkezik, és a szabadelektron-lézer röntgensugárát ventilátor alakban irányítják a föld feletti kísérleti terem húsz állomására.
Addigra 7000 emberévet kellene elvégezni - ezt az erőfeszítést csak a nemzetközi együttműködésben lehet elsajátítani. Ezért nem zárható ki teljesen, hogy a jelenlegi előkészítő szakasz pozitív eredményei ellenére sem épül meg a Tesla. A tesztlétesítmény 300 méteres gyorsítóval érkező lézerfénye 2004-től elérhető lesz a kísérletekhez.