I piccoli acceleratori portano gli elettroni alla velocità desiderata utilizzando i laser.

Un giorno, potenti acceleratori di particelle potrebbero essere abbastanza piccoli da stare in tasca.

Due gruppi di fisici hanno raggiunto un traguardo importante creando minuscole strutture in grado di accelerare gli elettroni e mantenerli in un fascio controllabile, evitando la dispersione casuale. Ciò rappresenta un’impresa senza precedenti per tali micro acceleratori ed è un passo avanti essenziale verso il rendere questi dispositivi più pratici e comuni.

"Uno dei problemi chiave con gli acceleratori di particelle... sono le loro dimensioni gigantesche e i loro prezzi elevati", afferma il fisico Jared Maxson della Cornell University, che non ha preso parte alla recente ricerca. Il processo di restringimento di queste macchine potrebbe consentire la creazione di elettroni ad alta energia su un tavolo, suggerisce Maxson. Ciò ha il potenziale per rivoluzionare la medicina e la ricerca scientifica.

Gli acceleratori sono costruiti su chip di silicio e comprendono due file di torri, ciascuna alta circa 2 micrometri. Ricordando file di minuscoli grattacieli, questi pilastri, quando colpiti dalla luce laser, generano campi elettromagnetici. Questi campi elettromagnetici spingono le particelle subatomiche a velocità maggiore lungo un percorso estremamente stretto tra i pilastri, largo meno di un micrometro.

In un dispositivo, gli elettroni hanno guadagnato 12,3 kiloelettronvolt di energia su una distanza di mezzo millimetro, un notevole aumento del 43% che ha spinto le particelle a 40,7 kiloelettronvolt, informano il fisico Peter Hommelhoff e i suoi colleghi nel loro rapporto del 18 ottobre su Nature.

Inoltre, il cauto posizionamento degli spazi tra i pilastri aiuta a mantenere sotto controllo il fascio di elettroni, emulando efficacemente le capacità delle loro controparti più grandi. "Si tratta davvero del primo acceleratore basato sulla nanofotonica che racchiude tutte le caratteristiche che un moderno acceleratore dovrebbe avere", afferma Hommelhoff, associato dell'Università di Erlangen-Norimberga in Germania.

Un risultato simile è stato annunciato il 3 ottobre dal fisico Robert Byer dell'Università di Stanford e dal suo team, segnalando guadagni di energia fino a 23,7 kiloelettronvolt. Entrambi i team fanno parte di un consorzio più ampio denominato Accelerator on a Chip International Program, o ACHIP, che consolida gli sforzi per costruire questi micro acceleratori.

Il titolo di acceleratore di particelle più potente al mondo va al Large Hadron Collider, o LHC, vicino a Ginevra, con un enorme anello di 27 chilometri. I nuovi acceleratori in miniatura, con appena migliaia di elettronvolt, non saranno presto responsabili della scoperta del bosone di Higgs, una particella scoperta all’LHC nel 2012.

Tuttavia, questi dispositivi potrebbero avere le loro applicazioni uniche. Gli elettroni ad alta energia utilizzati per il trattamento del cancro della pelle causando danni al DNA delle cellule tumorali e uccidendole potrebbero diventare molto più ampiamente disponibili con un acceleratore costruito su un chip, poiché l’attuale processo richiede una stanza piena di macchinari pesanti.

Inoltre, trattamenti simili potrebbero essere applicabili oltre la profondità della pelle. "L'aspirazione è quella di avere una fibra che possa entrare nel corpo umano per un trattamento radioattivo localizzato perché l'intero acceleratore può essere ospitato dentro di te", suggerisce Pietro Musumeci dell'UCLA, membro dell'ACHIP che non ha preso parte a queste nuove scoperte.

Gli acceleratori in miniatura potrebbero essere utilizzati per creare particolari stati di luce potenzialmente utili per l’informatica quantistica. In alternativa, potrebbero essere utili per la ricerca sui materiali, creando eventualmente immagini di materiali sottili con una risoluzione temporale straordinariamente elevata.

Nonostante la promessa, questi acceleratori hanno ancora una lunga strada da percorrere. Il tasso di emissione di elettroni da queste macchine è significativamente inferiore rispetto agli acceleratori convenzionali. E sebbene possano focalizzare il raggio in due dimensioni, è necessario più lavoro per ottenere la messa a fuoco verticale.

Anche i guadagni energetici di questi dispositivi necessitano di ulteriori miglioramenti. Sebbene l’energia accumulata dagli elettroni su una determinata distanza di accelerazione sia relativamente la stessa degli acceleratori convenzionali, gli scienziati mirano a superare di gran lunga quella convenzionale con miliardi di elettronvolt per metro.

Tuttavia, questo lavoro esemplifica tecniche che una volta sembrava ridicolo anche solo tentare. Inizialmente, quando Byer condivise l’idea con i suoi colleghi, “scoppiarono a ridere”, ricorda. “Nessuno sta ridendo adesso; invece, sono riconoscenti.

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