För fysiker som vill studera de subatomära partiklarna som är universums grundläggande byggstenar och lära sig hur de interagerar, en partikelaccelerator - en massiv enhet som påskyndar och aktiverar partiklar och får dem att kollidera - är ett riktigt viktigt verktyg. Föreställ dig en accelerator som ett mikroskop på ett bergs storlek, kan studera de minsta saker som finns.

"Acceleratorer är de ultimata mikroskop, "Mark J. Hogan, en fysiker vid SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Kalifornien, förklarar i ett mejl. "Deras upplösningskraft är proportionell mot partikelstrålarnas energi. Nuvarande maskiner som arbetar vid energigränsen är monument för mänsklig teknik. Dessa maskiner är tiotals kilometer i omfattning men styr sina strålar till bråkdelar av ett hårstrå. "

Det är därför med en accelerator, större har alltid varit bättre. Om du ens är en avslappnad vetenskapsintresserad, du har säkert hört talas om den stora pappaacceleratorn för dem alla, Large Hadron Collider (LHC) på CERN, Europas partikelfysiklaboratorium nära Genève, Schweiz. Kanske den mest komplexa maskinen som någonsin skapats, LHC har en massiv, 17 mil (27,35 kilometer) spår som den använder för att accelerera partiklar. Forskare använde LHC 2012 för att observera Higgs Boson, en partikel som hjälper till att förklara varför andra partiklar har massa och varför saker håller ihop.

Mindre och billigare

Ett problem med riktigt stora partikelacceleratorer, fastän, är att de är otroligt dyra och förbrukar massiva mängder el. LHC, till exempel, kostade 4,1 miljarder dollar bara att bygga. Så vad fysiker verkligen skulle vilja ha är ett sätt att få jobbet gjort som inte är lika stort och kostsamt.

Det är därför det har varit så mycket spänning om nyheterna att CERN-forskare framgångsrikt har testat ett nytt sätt att accelerera elektroner till höga energier genom protondriven plasma-wakefieldacceleration. Metoden innebär att man använder intensiva klumpar av protoner för att generera vågor i plasma, en soppa av joniserade atomer. Elektronerna kör sedan på vågorna för att accelerera, som om de vore surfare i subatomär skala.

I en testkörning med Advanced Wakefield Experiment (AWAKE) i maj, CERN -forskare lyckades använda metoden för att accelerera elektroner till energier på 2 gigaelektronvolt (GeV) över ett avstånd av 10 meter (32,8 fot).

Här är en video där Edda Gschwendtner, CERN AWAKE:s projektledare, förklarar begreppet acceleratorer, och varför en proteindriven plasma wakefield-accelerator är ett så stort genombrott:

Andra forskare hyllade CERN -prestationen. "Denna teknik kan låta anläggningarna på CERN få ett nytt kompakt sätt att producera elektroner med hög energi som kan kollidera med fasta mål eller protonstrålar för att skapa ett nytt verktyg för partikelfysiker att förstå grundläggande partiklar och krafterna som styr deras interaktioner, Säger Hogan.

"Detta resultat är viktigt för framtiden för högenergifysik genom att det kan öppna en väg till en kompakt 1 TeV -elektronaccelerator baserad på plasma -wakefield -acceleration, "förklarar James Rosenzweig, professor i accelerator och strålningsdynamik vid UCLA, och chef för universitetets Particle Beam Physics Lab. "Ur synpunkten att införa fysiska principer, detta experiment är det första - det introducerar plasmavakningsfält som upphetsas av protonstrålar.

"Den viktigaste fördelen med plasmacceleratorer finns i de stora accelererande elektriska fälten som kan stödjas - upp till 1, 000 gånger större än i konventionella acceleratorer. Användningen av protoner tillåter i princip strålar med mycket större tillgänglig total energi för acceleration, "Säger Rosenzweig via e -post.

Hogans team på SLAC har utvecklat en annan plasma wakefield -accelerationsmetod, som förlitar sig på massor av elektroner som sätts in i plasma för att skapa vågor som andra elektroner kan åka på. Men vilken metod som används, plasma erbjuder ett sätt att komma förbi begränsningarna för konventionella acceleratorer.

"Med all sin precision och framgång, fastän, dessa maskiner närmar sig gränserna för storlek och kostnad som samhället kommer att ha råd med, "Säger Hogan." För maskiner som accelererar elektroner, storleken är relaterad till den maximala hastigheten som vi kan lägga energi till partiklarna. Med konventionell teknik med metallkonstruktioner, vi kan inte öka denna hastighet ytterligare när fälten blir så stora att materialen bryts ner under de extrema krafterna. En plasma, en joniserad gas, är redan nedbruten och kan stödja mycket större fält och när den manipuleras korrekt, kan lägga energi till partikelstrålar med en mycket större hastighet och därmed i princip komma till energigränsen i ett mindre fotavtryck.

"Många grupper har visat att vi kan använda plasma för att skapa energiklasser av elektroner, "säger Hogan." Mycket av nästa generations forskning är inriktat på att visa att vi kan göra detta samtidigt som vi skapar strålar med kvalitet och stabilitet som motsvarar konventionell teknik. Andra forskningsfrågor tänker på hur man ska slå ihop många på varandra följande plasmaceller i följd för att nå mycket höga energier. Ytterligare utmaningar är att förstå hur man accelererar positroner, antimateria motsvarande elektroner i en plasma. Blickar framåt, många grupper, inklusive mina kollegor på SLAC hoppas kunna utveckla strålar med hög energi med överlägsna egenskaper som öppnar dörren till nya vetenskapliga instrument under det kommande decenniet och därefter. "

En AWAKE -talesman berättade för Science magazine att forskarna hoppas kunna utveckla tekniken under de kommande fem åren, till den punkt där den kan användas för partikelfysikforskning.

Som Europeiska unionens Horizon -tidning beskriver, forskare har också tänkt sig att bygga en konventionell partikelaccelerator som är tre gånger storleken på LHC. Enheten skulle ha förmågan att krossa partiklar genom att ge dem energi med motsvarande 10 miljoner blixtnedslag.