Ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Berkeley παρουσίασαν έναν συμπαγή επιταχυντή λέιζερ-πλάσματος (Laser-Plasma Accelerator – LPA) μήκους μόλις 30 εκατοστών, ο οποίος μπορεί να δημιουργεί και να ανιχνεύει εξαιρετικά κατευθυνόμενες δέσμες μιονίων. Η τεχνολογία αυτή βασίζεται στη χρήση ισχυρών παλμών λέιζερ για την επιτάχυνση δεσμών ηλεκτρονίων, οι οποίοι στη συνέχεια παράγουν μιόνια με σημαντικά μεγαλύτερη απόδοση και κατευθυντικότητα, προσφέροντας μια ισχυρή νέα εναλλακτική για μη καταστροφική απεικόνιση μεγάλων ή κρυμμένων αντικειμένων.
Πρόβλημα με τις παραδοσιακές πηγές μιονίων
Οι συμβατικές τεχνητές πηγές μιονίων είναι ογκώδεις και δαπανηρές, γεγονός που έχει αφήσει πολλές εφαρμογές απεικόνισης εξαρτημένες από σπάνιες και μη αξιόπιστες κοσμικές ακτίνες. Το νέο LPA υπερνικά αυτούς τους περιορισμούς, παράγοντας σημαντικά υψηλότερες ποσότητες μιονίων και μειώνοντας τον χρόνο έκθεσης από μήνες σε λεπτά, σύμφωνα με τη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Accelerators and Beams.
Πλεονεκτήματα των μιονίων έναντι των ακτίνων Χ
Σε αντίθεση με τις ακτίνες Χ, οι οποίες απορροφώνται εύκολα, τα μιόνια χάνουν ενέργεια σταδιακά, επιτρέποντάς τους να διαπερνούν μεγάλες ή κρυφές δομές — ακόμα και εκατοντάδες μέτρα πετρώματος ή πυκνά υλικά όπως ο μόλυβδος και ο χάλυβας. Χάρη σε αυτή την εξαιρετική διεισδυτικότητα, η απεικόνιση με μιόνια έχει αποκαλύψει κρυφούς θαλάμους στη Μεγάλη Πυραμίδα της Γκίζας, έχει ερευνήσει το εσωτερικό ηφαιστείων και έχει επιθεωρήσει πυρηνικά απόβλητα.
Η ανάγκη για φορητές λύσεις απεικόνισης
Οι κοσμικές ακτίνες παράγουν συνεχώς μιόνια στην επιφάνεια της Γης – περίπου 147 μιόνια ανά τετραγωνικό μέτρο το δευτερόλεπτο. Ωστόσο, οι εφαρμογές απεικόνισης απαιτούν μιόνια από συγκεκριμένες κατευθύνσεις, καθιστώντας την παραδοσιακή απεικόνιση με κοσμικά μιόνια χρονοβόρα, με εκθέσεις που διαρκούν μήνες για να συγκεντρωθούν αρκετά δεδομένα. Αυτή η ανάγκη οδήγησε τους ερευνητές στα LPA.
Πρώτη πειραματική παραγωγή μιονίων με LPA
Στις εγκαταστάσεις BELLA του Berkeley Lab, οι επιστήμονες πέτυχαν την πρώτη ανίχνευση και χαρακτηρισμό κατευθυνόμενων δεσμών μιονίων που παράγονται από επιταχυντή λέιζερ-πλάσματος. Με τη βοήθεια λέιζερ, επιτάχυναν ηλεκτρόνια σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες (πολλαπλά GeV) μέσα σε ένα κανάλι πλάσματος 30 cm.
Αυτά τα υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνια συγκρούστηκαν με στόχο υψηλού ατομικού αριθμού (μόλυβδο), όπου, καθώς εκτρέπονταν από τους πυρήνες των ατόμων, παρήγαν φωτόνια. Όταν αυτά τα φωτόνια χτυπούσαν πυρήνες του στόχου, παρήγαν ζεύγη μιονίων–αντιμιονίων. Τα παραγόμενα μιόνια σχημάτιζαν μια εξαιρετικά κατευθυνόμενη, συμπαγή δέσμη κατά μήκος της αρχικής πορείας των ηλεκτρονίων, με ενέργειες που έφταναν σε πολλά GeV.
Τα πειράματα και οι προσομοιώσεις αποκάλυψαν δύο διακριτούς πληθυσμούς μιονίων: υψηλής ενέργειας, κατευθυνόμενα μιόνια συγκεντρωμένα στον κεντρικό άξονα της δέσμης, και χαμηλότερης ενέργειας, μη κατευθυνόμενα μιόνια περιφερειακά. Το LPA παρήγαγε ροές μιονίων πάνω από 40 φορές υψηλότερες από αυτές των κοσμικών ακτίνων για απεικόνιση σε οριζόντιο επίπεδο.
Αντί να βασίζονται στην αραιή ροή κοσμικών μιονίων, οι ερευνητές παρήγαγαν πάνω από 20 μιόνια ανά παλμό εντός του πεδίου απεικόνισης, προσφέροντας εξαιρετική ανάλυση με πρωτοφανή ταχύτητα.
Μελλοντικές εφαρμογές και προοπτικές
Οι επιστήμονες επισημαίνουν ότι το πείραμα αποδεικνύει πως οι δέσμες ηλεκτρονίων από LPA μπορούν να χρησιμοποιηθούν πρακτικά ως πηγές μιονίων. Αυτό ανοίγει τον δρόμο για μελλοντικές εφαρμογές γύρω από υψηλής ενέργειας δέσμες και ανιχνευτές βελτιστοποιημένους για την ανασύνθεση εικόνων μέσω σκέδασης μιονίων.
More information: Davide Terzani et al, Measurement of directional muon beams generated at the Berkeley Lab Laser Accelerator, Physical Review Accelerators and Beams (2025). DOI: 10.1103/kxjr-h7zs
