Fizicienii lucrează la proiectarea unui accelerator de particule care ar putea fi radical mai mic și mai ieftin decât instalațiile existente. Tehnica care stă la baza acestor proiecte, denumită accelerare Wakefield, a fost studiată încă din anii 1970, dar abia acum s-au făcut progrese majore.

Fizicienii folosesc acceleratoarele de particule pentru a studia particule, și pentru a descoperi particule noi. Acum însă experții planifică următoarele acceleratoare de particule, iar cercetătorii din Wakefield sunt dornici să se implice. Potrivit lui Patric Muggli, fizician specialist în acceleratoare la Institutul Max Planck pentru Fizică din München, a declarat că a sosit momentul ca acceleratoarele de particule să devină instrumente de rutină, și nu curiozități, fiind nevoie de inovație.

În cazul accelerării wakefield, electronii "încalecă" un val de plasmă (gaz ionizat) creat de un alt fascicul de particule sau laser. Cavitățile acceleratoarelor convenționale, cum ar fi cele din Large Hadron Collider (LHC), utilizează câmpuri electromagnetice pentru accelerarea particulelor, sunt predispuse la scântei din cauza câmpurilor magnetice enorme. Dar modulele umplute cu plasmă pot rezista la aceste câmpuri. Aceasta înseamnă că tehnologia wakefield poate obține accelerații de până la 1000 ori mai mari decât tehnicile convenționale pe distanțe de doar câțiva centimetrii. Dacă această tehnologie ar fi aplicată la scară largă, dimensiunea acceleratoarelor ar putea fi redusă de la kilometrii la doar câteva metrii.

Printre cele mai mari obstacole pentru acceleratoarele wakefield se numără necesitatea de a combina mai multe camere pentru a crește energia particulelor la nivelul potrivit, și pentru a crea fascicule uniforme și identice. O altă provocare va fi stăpânirea accelerării pozitronilor și de a decide ce tip de accelerator Wakefield trebuie produs.

În următorii patru ani, cercetătorii intenționează să depășească provocările tehnice și să selecteze o singură metodă, cea mai promițătoare, care va sta la baza unui dispozitiv demonstrativ în zece ani, spune Spencer Gessner, fizician de particule la SLAC National Accelerator Laboratory din California. Acceleratorul Wakefield "poate face amprenta mult mai mică, instalația mult mai ieftină, incredibil de flexibilă și scalabilă", adaugă Nicole Hartman, fizician experimental în domeniul particulelor la Universitatea Tehnică din München.

Cu toate acestea, tehnologia wakefield nu este încă suficient de matură pentru a fi utilizată în următorul accelerator mare, o "fabrică Higgs" care va ciocni electroni și pozitroni în teste de precizie, și care ar putea fi succesorul LHC. Dar pare a fi o direcție promițătoare. Anul trecut, o echipă de la Lawrence Berkeley National Laboratory din California, a demonstrat în cadrul unor experimente în care un fascicul de particule a fost accelerat de un laser, că electronii pot fi accelerați la 10 miliarde electronvolți (eV) în doar 30 centimetrii. Aceasta reprezintă aproximativ o zecime din energia pe care fasciculele de la predecesorul LHC, Large Electron-Positron Collider, l-a atins în 27 kilometrii.

Cercetătorii de la SLAC și de la Sincrotronul german de electroni (DESY) din Hamburg, lucrează pentru a restrânge și mai mult concentrarea fasciculelor și răspândirea energiilor particulelor. Fizicienii de la DESY au raportat într-o lucrare recentă publicată în revista Nature că au reușit să creeze un fascicul la fel de uniform ca cel produs de accelerarea convențională.

Susținătorii accelerării Wakefield speră că o versiune ar putea fi gata la timp pentru ca în anii 2050 să contribuie la lucrările de modernizare a instalației Higgs. Astfel, energia instalației ar crește de până la 20 ori, de la aproximativ 500 miliarde de eV la 10 trilioane eV, pentru a permite cercetătorilor să caute noi particule și forțe. Membrii Consiliului de priorități pentru proiectele de fizică a particulelor, un grup influent care oferă consultanță cu privire la prioritățile de finanțare ale SUA, au sugerat ăn Decembrie 2023, că metoda Wakefield ar trebui să fie prioritară ca posibilă cale de dezvoltare.

Dar dacă acest lucru se va întâmpla, depinde în mare măsură de instalația aleasă de Europa ca succesor al LHC. Strategiile fizicienilor de particule europeni sunt în prezent în curs de revizuire, într-un proces care ar trebui să se încheie în Ianuarie anul viitor. În propunerile publicate până în prezent, cercetătorilor li s-a cerut să ia în considerare utilizarea accelerației Wakefield atunci când iau în considerare experimentele și proiectarea coliziunerelor.

Dar se pare că designul liniar nu este cel mai probabil candidat în acest moment. CERN a cheltuit deja 113 milioane franci elvețieni pentru a proiecta un accelerator circular de electroni-positroni de 91 kilometrii. Se speră că acesta va fi transformat în cele din urmă într-un sistem care utilizează protoni, care sunt mai grei și mai energici decât electronii. Acest lucru ar permite fizicienilor să descopere noi particule în anii 2070 - chiar și fără Wakefield.

Dar chiar dacă planul de la CERN se va concretiza, tehnologia Wakefield ar putea fi utilizată în altă parte, spune Muggli. Este deja în discuții pentru a încorpora tehnologia într-un sistem Chinez în curs de dezvoltare, spune el. În plus, tehnica ar putea fi utilizată pentru a produce sincrotroni în instalații de mărimea unei camere, și lasere cu electroni liberi care generează raze X pentru studiul materialelor și a mostrelor biologice.