SLAC’ta geliştirilen yöntemle üretilen ultra güçlü ve kısa elektron ışınları kuantum mekaniği ve plazma fiziğinde devrim yaratabilir.
ABD’deki SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nda çalışan fizikçiler, bugüne kadar üretilmiş en yüksek akım ve en yüksek ani güce sahip elektron ışınlarını üretmeyi başardı. Çalışmalarının sonuçları, Physical Review Letters’da yayınlandı.
Bilim insanları, uzun yıllardır yüksek güçlü lazer ışınlarını çeşitli alanlarda kullanıyor. Örneğin, atomları parçalamak, yeni malzemeler üretmek ya da diğer gezegenlerdeki aşırı sıcaklık ve basınç koşullarını taklit etmek gibi birçok farklı araştırmada bu teknolojiden yararlanılıyor. Ancak SLAC’taki ekip, bu çalışmada lazer yerine elektron ışınlarını kullanarak benzer etkilere ulaşmayı hedefliyor.
Elektron ışınları, atom altı parçacıklardan biri olan elektronların çok yüksek hızlara çıkarılarak bir ışın demeti oluşturmasıyla elde ediliyor. Elektronları hızlandırarak daha yüksek enerji seviyelerine çıkarmak, maddelerin yapısını daha detaylı inceleme, kuantum fiziği deneyleri yapma ve yüksek enerjili plazmalar üretme gibi birçok alanda kullanılıyor.
Araştırmacılar, daha güçlü elektron ışınları üretme fikrinin basit ancak zor olduğunu belirtiyor. Temel amaç, mümkün olduğunca fazla elektrik yükünü çok kısa bir sürede sıkıştırmak. Deneyde, sadece bir femtosaniye süren (saniyenin katrilyonda biri) 100 bin amperlik (100 kiloamper) bir elektrik akımı üretildi.
Bu süreç, parçacık hızlandırıcı adı verilen özel bir cihaz içinde gerçekleşti. Parçacık hızlandırıcılar, elektron gibi temel parçacıkları neredeyse ışık hızına çıkarmak için tasarlanıyor. SLAC’taki deneyde, elektronlar güçlü mıknatıslar ve radyo dalgaları yardımıyla hızlandırıldı. Araştırmacılar bu süreci bir yarış arabasının pistte hızlanmasına benzetiyor.
Ancak bir yarış arabası pistin virajına geldiğinde nasıl yavaşlamak zorunda kalıyorsa, elektronlar da hızlandırıcının kıvrımlı bölümlerinde enerji kaybediyor. Daha hızlı dönüş yapabilmesi için bir yarış arabasının virajı daha düz bir hat üzerinde geçmesi gerektiği gibi, elektronlar için de benzer bir yöntem kullanılıyor.
Bu fikri uygulamak için ekip, bir milimetre uzunluğunda bir elektron dizisi oluşturdu. Elektronların ön kısmı, radyo dalgasının daha düşük enerjili bir bölgesinde ilerlediği için dönüşten daha az enerjiyle çıktı. Bu durum, “chirp” adı verilen bir olaya neden oldu. Daha sonra araştırmacılar, mıknatıslar kullanarak elektronları sağa, sonra sola ve tekrar sağa yönlendirerek hareketlerini değiştirdi.
Fizikte chirp, bir parçacık demetindeki enerji farkları nedeniyle zamanla oluşan frekans değişimi anlamına geliyor. Bu kavram, aslında kuş seslerinden esinlenerek adlandırılıyor; çünkü bir kuş ötüşü gibi, frekanslar (veya enerjiler) artıp azalabiliyor. SLAC’taki deneyde, elektronlar hızlandırıcı içinde ilerlerken bazıları daha fazla enerjiye sahipken, bazıları daha az enerji taşıyor. Bu durum, ışın içindeki elektronların farklı hızlarla hareket etmesine yol açıyor. Yüksek enerjili elektronlar daha hızlı giderken, düşük enerjili olanlar daha yavaş kalıyor. İşte bu enerji farklılıkları “chirp” etkisini yaratıyor. Araştırmacılar bu etkiyi kontrollü bir şekilde değiştirerek elektronları sıkıştırdı ve ışının daha kısa ama daha güçlü hale gelmesini sağladı. Bu yöntem, parçacık fiziği deneylerinde ve yüksek enerjili ışın uygulamalarında büyük önem taşıyor.
Bu işlemi birkaç kez tekrarlayan ekip, ışını her seferinde daha kısa ama daha güçlü hale getirdi. Sonuç olarak, elektron ışını yalnızca 0,3 mikrometre (milimetrenin binde biri) uzunluğa ulaştı.
Bu yeni teknik, yüksek enerjili fizik deneyleri, kuantum fiziği araştırmaları, plazma fiziği ve ultra hızlı kimyasal süreçlerin incelenmesi gibi birçok alanda devrim yaratabilir. Örneğin, kimyasal reaksiyonları atomik seviyede daha iyi anlamak için süper kısa süreli (femtosaniye düzeyinde) elektron ışınlarına ihtiyaç duyuluyor. Bu çalışmayla üretilen aşırı güçlü ve yoğun elektron ışınları, bilim insanlarına bu tür deneylerde yeni imkanlar sağlayabilir.
Ayrıca, bu teknik sayesinde uzay hakkında daha fazla bilgi edinmek de mümkün olabilir. Kuantum alan teorisine göre, boşluk aslında tamamen boş değil; içinde sürekli olarak sanal parçacıklar oluşup yok oluyor. Bu yeni ışınlar, bu tür fenomenleri gözlemlemek için kullanılabilir. Bu deney, parçacık fiziği, kuantum mekaniği ve malzeme bilimi gibi birçok alanda çığır açıcı gelişmelere kapı aralayabilir.
Kaynak: Physical Review Letters
