Bùi Minh Nhật
Intern Writer
Nó có thể xé toạc các hạt ra khỏi không gian trống.
Các nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC vừa tạo ra chùm tia laser petawatt có công suất cực đại và dòng điện cao nhất từ trước đến nay.
Chùm tia này được hình thành từ một nhóm electron bị nén và biến đổi để tạo ra xung năng lượng tối đa.
Trong tương lai, các chùm tia laser như thế này có thể được sử dụng làm nguồn sáng hoặc để nghiên cứu bản chất của không gian trống bằng cách tách các hạt ra khỏi nó.
Hãy thử tưởng tượng sức mạnh của 1 triệu nhà máy điện hạt nhân . Bây giờ, hãy tưởng tượng có một cách để đưa năng lượng tương đương vào xung của một tia laser—kể cả khi chỉ trong một phần nghìn tỷ giây.
Vâng, gần đây, chúng ta không còn cần phải tưởng tượng nữa - các nhà khoa học đã cho chúng ta cái nhìn mới nhất về tia laser petawatt (một petawatt bằng một nghìn tỷ watt)) có khả năng. Khi bạn có một nghìn tỷ watt theo ý mình, bạn có thể tạo ra các điều kiện khắc nghiệt được tìm thấy sâu bên trong các hành tinh hoặc phân tách các nguyên tử để tạo ra tia gamma. Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC vừa nâng cấp điều đó lên thành một chùm tia laser electron có khả năng xé nát vật chất và xé các hạt và phản hạt ra khỏi không gian trống rỗng.
ưới sự chỉ đạo của nhà vật lý máy gia tốc SLAC Claudio Emma, nhóm nghiên cứu đã có thể lấy rất nhiều electron ( một tập hợp có chiều dài khoảng một milimét) và tăng tốc chúng thành các chùm tia tạo ra dòng điện và công suất cực đại cao nhất từ trước đến nay.
Nhóm nghiên cứu đã viết trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Physical Review Letters rằng: "Việc điều khiển chùm tia cực cao ở cấp độ femto giây là một công cụ mạnh mẽ để tối ưu hóa các tương tác chùm tia thế hệ tiếp theo có liên quan đến nhiều ngành khoa học" .
Họ đã làm như thế nào? Hãy nghĩ về máy gia tốc hạt như một máy bắn bi trong pha nhiều bi , ngoại trừ các bi là các electron chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Thay vì các đường dốc và đường cong, các electron được tăng tốc bằng sóng vô tuyến qua một buồng chân không. Giống như một quả bóng bắn bi sẽ lệch hướng khi nó chạm vào một đường cong, vì vậy các electron sẽ thay đổi hướng khi chúng chạy vào một từ trường . Nếu một quả bóng di chuyển chậm hơn, nó sẽ đi theo đường cong, nhưng một quả bóng di chuyển càng nhanh, thì càng nhiều đường cong đó nó sẽ nhảy qua. Các electron trong từ trường cũng làm điều tương tự.
Giả sử các viên bi phải leo lên một đoạn dốc trước khi kết thúc ở một đường cong, ngoại trừ đoạn dốc được tạo thành từ sóng vô tuyến. Các electron ở phía trước sẽ di chuyển dọc theo một phần ít dốc hơn của sóng so với các electron ở phía sau, điều đó có nghĩa là chúng sẽ đến đỉnh của đoạn dốc với ít năng lượng hơn các electron ở phía sau chúng. Điều này dẫn đến một tiếng kêu chirp —một tín hiệu có tần số tăng (lên-chirp) hoặc giảm (xuống-chirp) theo thời gian. Trong trường hợp này, nó tăng lên. Và các xung laser có thể tạo ra các tiếng kêu chirp đặc biệt nhanh.
Khi tiếng kêu này xảy ra, nhóm của Emma đã nén nhóm electron bằng cách bắn chúng qua một cấu trúc tương tự như một làn trong máy bắn bi khiến quả bóng lắc sang trái và phải. Đây được gọi là chicane . Chicane trong thí nghiệm này sử dụng nam châm để buộc chùm tia lắc, và vì các electron năng lượng thấp bị nam châm làm lệch hướng nhiều hơn các electron năng lượng cao hơn, nên các electron có năng lượng thấp hơn phải làm tròn các đường cong nhiều hơn. Điều này khiến chúng di chuyển xa hơn và xa hơn so với các electron có năng lượng cao hơn nhưng vẫn ở phía sau.
Cuối cùng, chicane tạo cơ hội cho các electron năng lượng cao bắt kịp và nén toàn bộ nhóm. Nhưng ở đây, thí nghiệm có một bước ngoặt. Việc rút ngắn một nhóm electron cần phải được thao tác thêm, vì vậy nhóm đã chuyển sang nam châm undulator , sử dụng các hàng nam châm lưỡng cực có từ trường khép kín vòng qua cả hai đầu. Những nam châm này liên tục thay đổi hướng mà từ trường tổng thể đang đi vào, làm các electron rung lắc qua lại.
Sau đó, các nhà nghiên cứu sử dụng ánh sáng laser năng lượng thấp để tạo hình chùm electron. Khi các electron chuyển động, chúng trao đổi năng lượng với ánh sáng đó , dẫn đến một tiếng kêu bổ sung được tạo ra ở giữa. Chùm electron tiếp tục đi qua ba chicanes nữa trong máy pinball tinh vi này, xen kẽ giữa gia tốc và nén liên tục. Tiếng kêu bổ sung trở nên dữ dội hơn nhiều và tạo ra một xung với lượng năng lượng khiến tâm trí tan chảy.
Và Emma không muốn dừng lại ở đó. "Chúng tôi đã tạo ra các chùm tia 100 kiloamp, bây giờ bước tiếp theo là tiến tới các chùm tia mega-amp", ông cho biết trong một thông cáo báo chí. Ông coi các loại chùm tia này là một nguồn sáng tiềm năng, cùng với khả năng tách các hạt ra khỏi không khí mỏng để kiểm tra bản chất của không gian trống.
Bất kể chùm tia electron mạnh mẽ này có thể được sử dụng vào mục đích gì trong tương lai thì nó chắc chắn là một trò chơi pinball rất hay. (popularmechanics)
Các nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC vừa tạo ra chùm tia laser petawatt có công suất cực đại và dòng điện cao nhất từ trước đến nay.
Chùm tia này được hình thành từ một nhóm electron bị nén và biến đổi để tạo ra xung năng lượng tối đa.
Trong tương lai, các chùm tia laser như thế này có thể được sử dụng làm nguồn sáng hoặc để nghiên cứu bản chất của không gian trống bằng cách tách các hạt ra khỏi nó.
Hãy thử tưởng tượng sức mạnh của 1 triệu nhà máy điện hạt nhân . Bây giờ, hãy tưởng tượng có một cách để đưa năng lượng tương đương vào xung của một tia laser—kể cả khi chỉ trong một phần nghìn tỷ giây.
Vâng, gần đây, chúng ta không còn cần phải tưởng tượng nữa - các nhà khoa học đã cho chúng ta cái nhìn mới nhất về tia laser petawatt (một petawatt bằng một nghìn tỷ watt)) có khả năng. Khi bạn có một nghìn tỷ watt theo ý mình, bạn có thể tạo ra các điều kiện khắc nghiệt được tìm thấy sâu bên trong các hành tinh hoặc phân tách các nguyên tử để tạo ra tia gamma. Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC vừa nâng cấp điều đó lên thành một chùm tia laser electron có khả năng xé nát vật chất và xé các hạt và phản hạt ra khỏi không gian trống rỗng.
ưới sự chỉ đạo của nhà vật lý máy gia tốc SLAC Claudio Emma, nhóm nghiên cứu đã có thể lấy rất nhiều electron ( một tập hợp có chiều dài khoảng một milimét) và tăng tốc chúng thành các chùm tia tạo ra dòng điện và công suất cực đại cao nhất từ trước đến nay.
Nhóm nghiên cứu đã viết trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Physical Review Letters rằng: "Việc điều khiển chùm tia cực cao ở cấp độ femto giây là một công cụ mạnh mẽ để tối ưu hóa các tương tác chùm tia thế hệ tiếp theo có liên quan đến nhiều ngành khoa học" .
Họ đã làm như thế nào? Hãy nghĩ về máy gia tốc hạt như một máy bắn bi trong pha nhiều bi , ngoại trừ các bi là các electron chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Thay vì các đường dốc và đường cong, các electron được tăng tốc bằng sóng vô tuyến qua một buồng chân không. Giống như một quả bóng bắn bi sẽ lệch hướng khi nó chạm vào một đường cong, vì vậy các electron sẽ thay đổi hướng khi chúng chạy vào một từ trường . Nếu một quả bóng di chuyển chậm hơn, nó sẽ đi theo đường cong, nhưng một quả bóng di chuyển càng nhanh, thì càng nhiều đường cong đó nó sẽ nhảy qua. Các electron trong từ trường cũng làm điều tương tự.
Giả sử các viên bi phải leo lên một đoạn dốc trước khi kết thúc ở một đường cong, ngoại trừ đoạn dốc được tạo thành từ sóng vô tuyến. Các electron ở phía trước sẽ di chuyển dọc theo một phần ít dốc hơn của sóng so với các electron ở phía sau, điều đó có nghĩa là chúng sẽ đến đỉnh của đoạn dốc với ít năng lượng hơn các electron ở phía sau chúng. Điều này dẫn đến một tiếng kêu chirp —một tín hiệu có tần số tăng (lên-chirp) hoặc giảm (xuống-chirp) theo thời gian. Trong trường hợp này, nó tăng lên. Và các xung laser có thể tạo ra các tiếng kêu chirp đặc biệt nhanh.
Khi tiếng kêu này xảy ra, nhóm của Emma đã nén nhóm electron bằng cách bắn chúng qua một cấu trúc tương tự như một làn trong máy bắn bi khiến quả bóng lắc sang trái và phải. Đây được gọi là chicane . Chicane trong thí nghiệm này sử dụng nam châm để buộc chùm tia lắc, và vì các electron năng lượng thấp bị nam châm làm lệch hướng nhiều hơn các electron năng lượng cao hơn, nên các electron có năng lượng thấp hơn phải làm tròn các đường cong nhiều hơn. Điều này khiến chúng di chuyển xa hơn và xa hơn so với các electron có năng lượng cao hơn nhưng vẫn ở phía sau.
Cuối cùng, chicane tạo cơ hội cho các electron năng lượng cao bắt kịp và nén toàn bộ nhóm. Nhưng ở đây, thí nghiệm có một bước ngoặt. Việc rút ngắn một nhóm electron cần phải được thao tác thêm, vì vậy nhóm đã chuyển sang nam châm undulator , sử dụng các hàng nam châm lưỡng cực có từ trường khép kín vòng qua cả hai đầu. Những nam châm này liên tục thay đổi hướng mà từ trường tổng thể đang đi vào, làm các electron rung lắc qua lại.
Sau đó, các nhà nghiên cứu sử dụng ánh sáng laser năng lượng thấp để tạo hình chùm electron. Khi các electron chuyển động, chúng trao đổi năng lượng với ánh sáng đó , dẫn đến một tiếng kêu bổ sung được tạo ra ở giữa. Chùm electron tiếp tục đi qua ba chicanes nữa trong máy pinball tinh vi này, xen kẽ giữa gia tốc và nén liên tục. Tiếng kêu bổ sung trở nên dữ dội hơn nhiều và tạo ra một xung với lượng năng lượng khiến tâm trí tan chảy.
Và Emma không muốn dừng lại ở đó. "Chúng tôi đã tạo ra các chùm tia 100 kiloamp, bây giờ bước tiếp theo là tiến tới các chùm tia mega-amp", ông cho biết trong một thông cáo báo chí. Ông coi các loại chùm tia này là một nguồn sáng tiềm năng, cùng với khả năng tách các hạt ra khỏi không khí mỏng để kiểm tra bản chất của không gian trống.
Bất kể chùm tia electron mạnh mẽ này có thể được sử dụng vào mục đích gì trong tương lai thì nó chắc chắn là một trò chơi pinball rất hay. (popularmechanics)
