Φυσικοί στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σάντα Κρουζ (UCSC) και σε άλλα ινστιτούτα της Καλιφόρνια και του Νέου Μεξικού ανέπτυξαν ένα σύστημα ανίχνευσης που θα επιτρέψει στους επιταχυντές σωματιδίων επόμενης γενιάς να αποκαλύψουν καλύτερα θεμελιώδεις βιολογικές και χημικές διεργασίες, καθώς και να προωθήσουν κρίσιμους τομείς όπως η επιστήμη των υλικών και η ενεργειακή έρευνα.
Η κοινοπραξία Advanced Accelerator Diagnostics Collaboration, μια ομάδα δύο πανεπιστημιουπόλεων του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια και τριών εθνικών εργαστηρίων των ΗΠΑ, ενώθηκε για να επιλύσει μια αυξανόμενη ανάγκη στη διάγνωση δεσμών υψηλού ρυθμού. Αυτοί οι επιταχυντές θα πραγματοποιήσουν πλέον άλμα από τους 120 παλμούς το δευτερόλεπτο στο 1 εκατομμύριο παλμούς το δευτερόλεπτο, δοκιμάζοντας τα όρια των σημερινών διαγνωστικών συστημάτων. Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Physical Review Accelerators and Beams.
Οι καρποί αυτής της πολυετούς συνεργασίας αποτελούν το κορυφαίο σε επιδόσεις σύστημα ανίχνευσης σωματιδίων υψηλού εύρους ζώνης που έχει κατασκευαστεί μέχρι σήμερα. Το σύστημα συνδυάζει τεχνητά διαμάντια, εξατομικευμένα μικροτσίπ και πρωτοποριακές τεχνικές συναρμολόγησης σε έναν συμπαγή ανιχνευτή, ο οποίος έχει σχεδιαστεί για τη μέτρηση των ιδιοτήτων των δεσμών που εκτοξεύονται από προηγμένους επιταχυντές, όπως ο Linac Coherent Light Source II στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC στο Μένλο Παρκ.
Η ανάγκη για υψηλές ταχύτητες
Καθώς οι επιταχυντές σωματιδίων επόμενης γενιάς συνεχίζουν να εξελίσσονται, θα παράγουν όλο και ταχύτερες εκλάμψεις φορτισμένων σωματιδίων που θα απέχουν ελάχιστα μεταξύ τους χρονικά. Αυτό σημαίνει ότι οι ερευνητές που τους χρησιμοποιούν θα πρέπει να δημιουργήσουν νέους, ταχύτερους τρόπους για να μετρούν αυτές τις δέσμες και να ελέγχουν τις ιδιότητές τους.
Σε αυτούς τους υψηλούς ρυθμούς επανάληψης της δέσμης – οι οποίοι τελικά θα ξεπεράσουν το 1 δισεκατομμύριο φορές ανά δευτερόλεπτο – τα υπάρχοντα συστήματα ανίχνευσης αποτυγχάνουν. Για να ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο, η ερευνητική ομάδα επανασχεδίασε ολόκληρη την αλυσίδα ανίχνευσης, από το ίδιο το υλικό του αισθητήρα μέχρι τα ηλεκτρονικά συστήματα που χρησιμοποιούνται για την ανάγνωση του σήματος. Αυτό απαιτούσε την ανάπτυξη μιας νέας προσέγγισης για την επεξεργασία του σήματος, καθώς και ενός νέου ολοκληρωμένου κυκλώματος.
Η πρώτη πλήρης δοκιμή του ανιχνευτή σε επιταχυντή πραγματοποιήθηκε τον περασμένο Ιούλιο στο SLAC, όπου οι ερευνητές εξέθεσαν το σύστημά τους σε εκλάμψεις ηλεκτρονίων που διαρκούσαν μόλις 1 picosecond.
Η ομάδα συνέλεξε χιλιάδες παλμούς δέσμης υπό ποικίλες συνθήκες λειτουργίας και διαπίστωσε ότι ο ανιχνευτής παρήγαγε σταθερά καθαρά, σαφώς καθορισμένα σήματα διάρκειας περίπου ενός ογδόου του νανοδευτερολέπτου σε ένα ευρύ δυναμικό εύρος. Η απόδοση του συστήματος ήταν εξαιρετική, ξεπερνώντας τις προσδοκίες των επιστημόνων, ενώ τα αποτελέσματα συμφωνούσαν με εκπληκτική ακρίβεια με τους θεωρητικούς υπολογισμούς.
Το βλέμμα στο μέλλον
Αυτές οι πρώτες δοκιμές είναι μόνο η αρχή, καθώς η δεύτερη έκδοση του συστήματος ανίχνευσης βρίσκεται ήδη σε φάση δοκιμών και ανάπτυξης για το φθινόπωρο του 2026. Οι δοκιμές αυτές θα χρησιμοποιήσουν μια νέα έκδοση του τσιπ ολοκληρωμένου κυκλώματος, η οποία έχει σχεδιαστεί ειδικά για την ανάγνωση του μικροσκοπικού αισθητήρα διαμαντιού και αναμένεται να παρέχει ακόμη ταχύτερη απόκριση σήματος σε σχέση με την έκδοση που δοκιμάστηκε το περασμένο καλοκαίρι.
Στο εγγύς μέλλον, η ομάδα ελπίζει επίσης να καταστήσει τον ανιχνευτή πιο εύχρηστο για μη εξειδικευμένα εργαστήρια, ώστε να λειτουργεί ως ένα διαγνωστικό σύστημα άμεσης εφαρμογής (plug-and-play).
Πέρα από τους επιταχυντές επόμενης γενιάς, αυτό το νέο σύστημα θα μπορούσε επίσης να βρει εφαρμογή στη φυσική υψηλών ενεργειών, στα προηγμένα συστήματα ελέγχου λέιζερ και στην ανάπτυξη ενέργειας από πυρηνική σύντηξη.
Όσο περισσότερο εξετάζουμε τα πράγματα, τόσο περισσότερο χρειαζόμαστε να τα κατανοήσουμε σε ατομική κλίμακα, καθώς είναι απαραίτητο να δούμε πώς εξελίσσονται και πώς αλλάζουν οι καταστάσεις σε εξαιρετικά γρήγορες χρονικές κλίμακες.