दुनिया का सबसे बड़ा कण त्वरक, लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (एलएचसी), जिनेवा के पास स्विस फ्रांसीसी सीमा के नीचे लगभग एक सौ मीटर की दूरी पर एक गोलाकार सुरंग में बैठता है। यह विशाल है-कुछ 17 किलोमीटर परिधि में-और 10^12 इलेक्ट्रॉनवोल्ट्स (तेरा ईवी या टीईवी) की ऊर्जाओं के लिए उप-परमाणु कणों को तेज करने में सक्षम है, जो अब तक का उच्चतम है।
1990 के दशक में निर्मित और NOGHINES में स्विच किया गया, LHC बूढ़ा हो रहा है और भौतिक विज्ञानी अब कणों को एक साथ उच्च ऊर्जा पर एक साथ नष्ट करना चाहते हैं, यह देखने के लिए कि क्या मलबे से कुछ भी नया निकलता है। समस्या यह है कि इन उच्च ऊर्जाओं को आम तौर पर बड़े, अधिक ऊर्जा भूखे त्वरक घर के लिए लंबी सुरंगों की आवश्यकता होती है, जो सभी कठिन और महंगे हैं।
इसलिए भौतिक विज्ञानी सस्ती, छोटी मशीनों की तलाश कर रहे हैं जो एक छोटे से स्थान पर और लागत के एक अंश पर उच्च ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं।
अब ब्रिटेन में लिवरपूल विश्वविद्यालय में बिफेंग लेई, और सहकर्मियों का कहना है कि उन्होंने सिद्धांत रूप में काम किया है कि कैसे एक टेबलटॉप के आकार के डिवाइस में 10^15 इलेक्ट्रॉनवोल्ट्स (पेटा ईवी या पीईवी) प्राप्त करें। उनकी मशीन कॉम्पैक्ट त्वरक की एक नई पीढ़ी के लिए मार्ग प्रशस्त कर सकती है जो कण भौतिकी और खगोल भौतिकी दोनों के लिए प्रासंगिक, अल्ट्रा-हाई इलेक्ट्रिक क्षेत्रों के तहत मामले के व्यवहार का अध्ययन करने में मदद कर सकती है।
“यह काम अल्ट्रा-कॉम्पैक्ट, उच्च-ऊर्जा कण त्वरक के विकास के लिए एक होनहार एवेन्यू का प्रतिनिधित्व करता है,” वे कहते हैं।
एलएचसी जैसे कण त्वरक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों के माध्यम से चार्ज किए गए कणों को बार -बार प्रसारित करके काम करते हैं, धीरे -धीरे प्रत्येक पास के साथ अपनी ऊर्जा बढ़ाते हैं। चार्ज किए गए कणों का त्वरण रेडियो आवृत्ति के शक्तिशाली विद्युत चुम्बकीय तरंगों से भरे गुहाओं के अंदर होता है। वास्तव में, कण इन तरंगों पर सर्फिंग करके तेजी लाते हैं।
हालांकि, शक्तिशाली रेडियो-फ्रीक्वेंसी तरंगों को उत्पन्न करना मुश्किल है, जिससे तरल हीलियम के तापमान को ठंडा करने के लिए महंगे सुपरकंडक्टिंग गुहाओं की आवश्यकता होती है।
कणों को तेज करने का एक और तरीका एक प्लाज्मा के अंदर है। यहां की चाल एक लेजर या इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग करके प्लाज्मा के माध्यम से एक पथ को तराशा जाता है और फिर परिणामी वेक पर चार्ज किए गए कणों को “सर्फ” करने की अनुमति देता है।
तथाकथित वेकफील्ड त्वरक अधिक कॉम्पैक्ट और ऊर्जा कुशल हैं। लेकिन उनकी त्वरित शक्ति प्लाज्मा के घनत्व तक सीमित होती है, जो आमतौर पर एक गैसीय पदार्थ होता है जिसमें 10^18 कण प्रति क्यूबिक सेंटीमीटर से कम होता है। यह एक धातु में मुक्त इलेक्ट्रॉनों के घनत्व की तुलना में काफी कम है जो 10^24 प्रति क्यूबिक सेंटीमीटर तक उच्च हो सकता है।
यह कल्पना करना आसान है कि धातुओं को उत्कृष्ट कण त्वरक होना चाहिए। हालांकि, भौतिकविदों के पास अभी तक एक्स-रे लेजर नहीं हैं, जो धातुओं में इस तरह के उच्च घनत्व वाले प्लास्मा के माध्यम से एक मार्ग को तराशने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली हैं, इसलिए उनका अभी तक शोषण किया गया है।
Lei और Co ने जो सफलता दी है, वह यह है कि कैसे एक पूरी तरह से अलग सामग्री में समान प्लाज्मा घनत्व का फायदा उठाया जाए – कार्बन नैनोट्यूब की एक सरणी।
सिद्धांत रूप में, कार्बन नैनोट्यूब की दीवारें पतित इलेक्ट्रॉनों का एक समुद्र घर रखती हैं जो धातुओं के समान घनत्व होती हैं। लेकिन उनके पास एक खोखला, वैक्यूम से भरा केंद्र भी है, जिसे इलेक्ट्रॉनों में स्थानांतरित किया जा सकता है, अगर शक्तिशाली रूप से पर्याप्त है।
इसलिए वे जिन सामग्रियों की जांच करते हैं, उनमें एक आंतरिक छेद के साथ कार्बन नैनोट्यूब की एक सरणी होती है, जैसे कि शुष्क स्पेगेटी के एक पैकेट के साथ कुछ स्ट्रैंड्स के साथ केंद्र से हटा दिया गया था।
टीम तब इस मार्ग के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों की एक नब्ज को बीम करने के प्रभाव का अनुकरण करती है, आसपास के कार्बन नैनोट्यूब को वेवगाइड के रूप में उपयोग करती है। बीम नैनोट्यूब की दीवारों में इलेक्ट्रॉनों के साथ बातचीत करता है, उन्हें बाहर की ओर मजबूर करता है क्योंकि यह गुजरता है और फिर बाद में उनकी मूल स्थिति में वापस आ जाता है।
यह कार्बन नैनोट्यूब के अंदर एक शक्तिशाली विद्युत क्षेत्र सेट करता है जो इलेक्ट्रॉन बीम का अनुसरण करता है क्योंकि यह चलता है। यह यह विद्युत क्षेत्र है जो अन्य चार्ज किए गए कणों को तेज कर सकता है। यह वेकफील्ड त्वरण तंत्र, जो पहले से ही प्लाज्मा-आधारित त्वरक में खोजा गया है, नैनोट्यूब के सीमित ज्यामिति के भीतर एक नया और अत्यधिक कुशल रूप लेता है।
सिमुलेशन में, शोधकर्ता बताते हैं कि यह सेटअप सैकड़ों TEV प्रति मीटर की सीमा में त्वरण ग्रेडिएंट उत्पन्न कर सकता है – जो कि LHC में उन लोगों की तरह पारंपरिक RF त्वरक की तुलना में अधिक परिमाण के आदेश हैं। “सिद्धांत रूप में, इलेक्ट्रॉनों को कई मीटर की दूरी पर पीईवी ऊर्जाओं में त्वरित किया जा सकता है,” झूठ और सह कहते हैं।
टीम का नक्शा कि वर्तमान में CERN और अन्य कण भौतिकी प्रयोगशालाओं में उपलब्ध सुविधाओं का उपयोग व्यवहार में विचार का परीक्षण करने के लिए किया जा सकता है।
हालांकि, कुछ संभावित सीमाएं हैं। एक यह है कि यदि नैनोट्यूब के अंदर का क्षेत्र बहुत अच्छा है, तो इलेक्ट्रॉनों को पूरी तरह से उड़ाया जा सकता है और इसलिए अपने मूल पदों पर नहीं लौटते हैं और एक त्वरित क्षेत्र स्थापित नहीं करते हैं। इस तरह के ब्लोआउट को रोकने के लिए सावधानीपूर्वक अंशांकन की आवश्यकता होगी।
एक और यह है कि शोधकर्ताओं को कार्बन नैनोट्यूब मार्ग से गुजरने के लिए एक अत्यधिक कॉम्पैक्ट और घने इलेक्ट्रॉन पल्स बनाना होगा। इस घनत्व के दालों को जल्द ही दुनिया के प्रमुख कण भौतिकी प्रयोगशालाओं में अत्याधुनिक उपकरणों के साथ संभव हो सकता है।
यदि ये प्रयोग सफल होते हैं, तो कार्बन नैनोट्यूब त्वरक कई क्षेत्रों में क्रांति ला सकते हैं। शक्तिशाली कॉम्पैक्ट त्वरक किलोमीटर-स्केल बुनियादी ढांचे की आवश्यकता के बिना नए कण भौतिकी प्रयोगों की अनुमति दे सकते हैं।
लघु त्वरक कैंसर के उपचार के लिए विकिरण चिकित्सा को आगे बढ़ा सकता है, उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन या आयन बीम को अभूतपूर्व सटीकता के साथ प्रदान करता है। एक ही तरह के डिवाइस का उपयोग उन्नत सामग्री प्रसंस्करण, गैर-विनाशकारी परीक्षण, और सुरक्षा स्कैनिंग या यहां तक कि अंतरिक्ष यान के लिए एक उपन्यास प्रणोदन तकनीक के रूप में भी किया जा सकता है।
इन मशीनों के अंदर बेहद शक्तिशाली विद्युत क्षेत्र भी भौतिकविदों को कुछ खगोल भौतिकी घटनाओं के अंदर स्थितियों को पुन: पेश करने की अनुमति दे सकते हैं।
झूठ और सह उनकी क्षमता के बारे में आशावादी हैं। “कार्बन नैनोट्यूब-आधारित ठोस-राज्य प्लाज्मा त्वरक अल्ट्रा-कॉम्पैक्ट कण त्वरक के विकास को आगे बढ़ाने के लिए परिवर्तनकारी क्षमता प्रदान करता है, विभिन्न उन्नत अनुप्रयोगों के लिए नए रास्ते खोल रहा है।”
Ref: कार्बन नैनोट्यूब-आधारित 100s TEV/M- स्तरीय कण त्वरक उच्च घनत्व वाले इलेक्ट्रॉन बीम द्वारा संचालित: arxiv.org/abs/2502.08498V1
