ZMNIEJSZAMY AKCELERATORY

Legenda głosi , że Enrico Fermi już 60 lat temu miał powiedzieć : stosowana metodologia i technologia uzyskiwania wysokich energii doprowadzą do bezsensu. Chcąc uzyskać energie rzędu 10^18 eV ,będziemy musieli zbudować akcelerator o długości równej obwodowi Ziemi.

Amerykanie mu uwierzyli i później , po śmierci Fermiego odrzucili - będący już w realizacji- projekt gigantycznego akceleratora. Europejczycy zbudowali [ na razie o długości kilkadziesiąt kilometrów, czyli silnie mniejszej od obwodu równikowego Ziemi ] i nadal są przekonani , że kłopoty z nim związane, wynikają z niedoróbek i pomyłek technicznych, a nie z tych przyczyn fundamentalnych , dotyczących silnych pól, o których mówił Fermi.I na rok 2020 przygotowują nastepny ,jeszcze wiekszy od LHC – International Linear Collider [ILC].

Jest dziedzina fizyki, dosyć starannie ukrywana przez wojskowe instytuty badawcze państw imperialnych, w której leżą – niby na stole- instrukcje techniczne jak zbudować akceleratory hiper- wysokich energii, o rozmiarach przeciętnego laboratorium fizycznego.

Różne ma nazwy: fizyka plazmy, relatywistyczna elektrodynamika plazmy, relatywistyczna teoria pól sprzężonych w ośrodku ciągłym.

Plazma w fizyce [ bo jest także terminem biologicznym ], to gaz będący zbiorem cząstek naładowanych elektrycznie : jonów ujemnych i swobodnych elektronów, z szczątkowym, pomijalnym dodatkiem neutralnych elektrycznie cząstek. Na zewnątrz plazma jako całość, w układzie spoczywającym jest elektrycznie neutralna.

Plazma w przyrodzie okołoziemskiej powstaje naturalnie np. w atmosferze, podczas wyładowań elektrycznych[ piorun, błyskawica ], plazmą jest każdy płomień [ np. płomień palącej się świecy ]. Plazmą są strefy van Allena otaczające Ziemię, wiatr słoneczny wypełniający cały układ planetarny, a więc otulający także glob ziemski..

Fontanna plazmy słonecznej [wiatru słonecznego] nad biegunem Ziemi.

Jej zastosowanie techniczne jest różnorodne, np. silniki magnetohydrodynamiczne, plazmotrony, noże plazmoidalne do cięcia metali, elementy oświetleniowe, telewizory plazmowe . Są to przykłady plazmy zimnej, nisko-temperaturowej.

Istnieje także plazma gorąca, z niej zbudowane są gwiazdy, więc i nasze Słońce. W plazmie gorącej występują, obok jonów i elektronów, również same jądra atomowe i jest to doskonałe środowisko do inicjacji reakcji termonuklearnych.

Kula plazmy po wybuchu supernowej, odkrytej w 1572 przez Tyche Brahe w gwiazdozbiorze Kasjopei. Fioletowa obwódka to rejestracja promieni X emitowanych przezz relatywistyczne elektrony plazmy

Twórcą kosmologii plazmowej, był noblista, fizyk szwedzki H.Alfven [1908-1995], założyciel nowej dziedziny fizyki: magnetogazodynamiki plazmy i odkrywca osobliwych fal w plazmie, zwanych falami Alfvena.

Plazma zimna ma niezwykłe własności fizyczne. Nie wykazuje własności elektrycznych na zewnątrz, jako całość , ale na zewnętrzne pola elektryczne, magnetyczne i elektromagnetyczne reaguje nadzwyczaj silnie. Jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego [ jak metale ], lecz ze wzrostem temperatury, maleje jej opór elektryczny [ przeciwnie do metali ] !

Polska fizyka plazmy, zainicjowana przez Sylwestra Kaliskiego na przełomie lat 50-60 tych ub. wieku, rozwijana dzisiaj w warszawskim Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, wzbudza duże zainteresowanie w światowym środowisku fizyków.

Silnik plazmowy satelitarny-projekt i wykonanie zespół IFPLM

Możliwość budowy akceleratorów cząstek elementarnych o dowolnie wielkich energiach, niezależnie od rozmiarów tych urządzeń, a z wykorzystaniem plazmy, pojawiła się w momencie opublikowania teoretycznej pracy przez fizyków rosyjskich: A.M.Budkera, J.B.Fejnberga i V.I.Vekslera [1].

W pracy tej wykazano , że promieniowanie ExB padając na “cloud of plasma”[ na plazmoid ] działa na niego siłą , która nadaje mu przyspieszenie. Dla małych rozmiarów kłębu plazmy , przyspieszenie jest proporcjonalne do kwadratu wartości ładunku elektrycznego skupionego w plazmie.

Schemat produkcji relatywistycznych elektronów laserem femtosekundowym [ rys. z pracy [9] W.D.Ledinghamana i W.Galstera]

Przy większych rozmiarach, siła jest iloczynem ciśnienia padającej fali ExB i pola powierzchni kłębu prostopadłej do kierunku fali.

Przy dzisiejszej technice stosowania światła laserowego, ciśnienie padającego na plazmę promieniowania ExB może być niewiarygodnie wysokie ,np.pracują już lasery o natężeniu wiązki 10^22 W/cm^2 ,stąd przyspieszenie plazmoidu jest takie, że plazmoid staje się obiektem relatywistycznym[ jego prędkość – przyświetlna].Oczywiście padająca fala ExB traci energię i ulega odbiciu.

Rys. z pracy [9] W.D.Ledinghamana i W.Galstera .

Impulsami laserowymi femtosekundowymi można ją rozpędzić do szybkości przyświetlnych i taki relatywistyczny “pocisk”, o dowolnej masie i objętości plazmoid, stanowi groźną broń ,gdyż działa na dowolny target nie mechanicznie, lecz elektromagnetycznie.

Po prostu, ten relatywistyczny kłąb, tuman [cloud] plazmy ma pole ExB o takim natężeniu składowych, że w otoczeniu swym uśmierca wszystko, co żywe.

Taki efekt pozwala uzyskać relatywistyczne elektrony, wprawdzie nie pojedyncze ,lecz w pewnym kolektywie, tumanie, kłębie. I do tego nie potrzeba żadnych cyklotronów, lub akceleratorów liniowych. Zastąpią je akceleratory laserowej plazmy.

Relatywistyczny plazmoid, to wynik oddziaływania promienia laserowego i plazmy. Nosi nazwę relatywistycznego zwierciadła i zmienia metodologię i technologię fizyki wysokich energii, nadając takim fabrykom fizyki cząstek jak LHC - postać dziwolągów.

Uzyskiwanie relatywistycznych elektronów za pomocą ciśnienia promieniowania laserowego na plazmę to “małe piwo”.

Wystarczy przecież na wytworzone ,pędzące relatywistyczne zwierciadło, skierować przeciw- bieżnie wiązkę fal ExB , by po odbiciu ich od zwierciadła stwierdzić ze zdumieniem , że odbita wiązka – na skutek relatywistycznego efektu Dopplera – ma silnie zwielokrotnioną częstotliwość drgań, a tym samym jej kwanty mają olbrzymią energię [ i natężenie fali ] .

Zastosowanie laserowej plasmy do produkcji hiper-energetycznych promieni gamma- aparatura w Institute for Transuranium ,Krlsruhe,Niemcy [ fot.z pracy[9] W.D.Ledinghamana i W.Galstera .

Taki mechanizm zastosowania relatywistycznego zwierciadła już pozwolił na uzyskanie hiper-energetycznych promieni rentgenowskich i promieni gamma[takich których nikt dotąd nie otrzymał w warunkach ziemskich], które następnie w oddziaływaniu z tą samą plazmą, rodziły kaskady par cząstek i antycząstek.

Akceleratory i collidery wykorzystujące laserową plamę i relatywistyczne plazmowe zwierciadła doprowadziły już do powstania astrofizyki laboratoryjnej. Brzmi to niewiarygodnie, ale jest prawdziwe.

W laboratoriach ziemskich, oddziaływania impulsowych promieni laserowych z relatywistycznymi zwierciadłami pozwalają symulować i modelować procesy fizyczne zachodzące w gwiazdach lub w przestrzeni kosmicznej i tym samym weryfikować hipotezy kosmologii.

Starożytni Grecy znaczenie słowa πλάσμα rozumieli tak :

“to -co wszystko tworzy, co wszystkiemu nadaje formę”.

My już dzisiaj wiemy , ponad wszelką wątpliwość, że dobrą mieli intuicję i wgląd w Naturę.

Literatura

[1]V.I. Veksler, "The principle of coherent acceleration of charged particles, The Soviet Journal of Atomic Energy,Vol. 2, Iss. 5, 1957,str.525-528

[2] A.Einstein, Zur Elektrodynamik bewegter Koerper,Annalen der Physik,Band 17,1905,str.891-921

[3] G.A.Mourou, T.Tajima , S.V.Bulanov, Rev. Mod. Phys. 78 , 2006,str.309

[4] M.Marklund , P.K.Shukla , Rev. Mod. Phys. 78 ,2006,str.591

[5] S.V.Bulanov et al.,Relativistic laser-matter interaction and relativistic laboratory astrophysics,The European Physical Journal D,55,2009,str.483

[6] E.Esarey , C.B.Schroeder , W.P.Leemans,Physics of laser-driven plasma-based electron accelerators, Rev. Mod. Phys. 81 ,2009,str.1229

[7] Bulanov S V et al. Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A 660 31 (2011)

[8] Bulanov S.V. et al., Relativistic spherical plasma waves,