Ein Teilchenbeschleuniger, der in einer Museumsausstellung ausgestellt wird, ist selten. Aber ein funktionierender Teilchenbeschleuniger, der in einer Museumsausstellung echte wissenschaftliche Forschung betreibt? Das ist beispiellos.
Nach Jahren der Entwicklung wird der Protonenbeschleuniger ELISA (Experimental Linac for Surface Analysis) nun für archäologische Forschungen im Science Gateway, dem Bildungs- und Öffentlichkeitszentrum des CERN, eingesetzt. Dies ist das erste Mal, dass ein Protonenbeschleuniger dieser Art im Rahmen einer Museumsausstellung für Forschungszwecke genutzt wird.
ELISA hat eine weniger bekannte Mission für einen Teilchenbeschleuniger: die Zusammensetzung von Objekten wie Kunst, geologischem oder kulturellem Erbe zu analysieren, ohne Schaden anzurichten. Mit einem nur 1 Meter langen Beschleunigungshohlraum beschleunigt es einen Protonenstrahl auf 2 MeV (zum Vergleich: Der Large Hadron Collider beschleunigt Protonen auf mehr als das Dreimillionenfache dieser Zahl) und fokussiert ihn auf einen kleinen Punkt auf einer Probe. wie zum Beispiel archäologische Farbe, die für antike Höhlenkunst verwendet wurde.
Durch diese Wechselwirkung werden Elektronen in den Atomen der Probe angeregt, wodurch diese Photonen mit Wellenlängen aussenden, die nur für bestimmte Elemente gelten. Durch die Analyse dieser Photonen können Forscher ein detailliertes Profil der Zusammensetzung der Probe erstellen.
„Die Farbproben, die wir für den ersten ELISA-Test verwenden, wurden von Wissenschaftlern erstellt, um die Farben nachzuahmen, die in alten Höhlenmalereien aus aller Welt verwendet wurden“, sagt Tessa Charles, eine Beschleunigerphysikerin der Australian Nuclear Science Technology Organization (ANSTO). am Projekt.
Bildnachweis: CERN
Für dieses erste Experiment bewerten die Forscher den Schaden, der jeder Probe durch den Protonenstrahl zugefügt wird, und welche Bedingungen (Belichtungszeit und Stromstärke) für jedes Material ideal sind, um Schäden zu vermeiden.
„Ziel ist es herauszufinden, wie man mit ELISA Proben analysieren und gleichzeitig Schäden vermeiden kann, was bei der Arbeit mit materiellem Kulturerbe unerlässlich ist“, fügt sie hinzu. „Die Idee besteht darin, an einem vollständig tragbaren Beschleuniger zu arbeiten, der in verschiedene Regionen der Welt gebracht werden kann, die keinen lokalen Zugang zu einer Beschleunigeranlage haben, ins Feld oder in andere Museen.“
Die Idee, einen funktionierenden Beschleuniger in eine Ausstellung einzubeziehen, entstand bei Brainstormings, die das CERN-Ausstellungsteam zu Beginn des Science Gateway-Projekts mit Wissenschaftlern aus dem gesamten CERN organisierte. Der Beschleuniger selbst war die Idee von Serge Mathot, einem angewandten Physiker am CERN, der Teil des Teams war, das den Linac 4 RFQ (Radio Frequency Quadrupole) entwickelte, den ersten Beschleunigungshohlraum auf dem Weg eines Protonenstrahls durch die Beschleunigerkette des CERN zum LHC .
ELISA ist eine kleinere Version der ersten Komponente von Linac 4. Mathot, der zunächst an kleinen Linearbeschleunigern für medizinische Anwendungen arbeitete, erkannte, dass diese Technologie auch für die Erforschung des kulturellen Erbes eingesetzt werden könnte.
„Die Protonenstrahltechnik ist im Vergleich zu anderen Analysetechniken sehr effektiv, da sie eine hohe Empfindlichkeit aufweist und der Hintergrund sehr niedrig ist“, sagt Mathot. „Man kann die Analyse auch in der Umgebungsluft statt im Vakuum durchführen, was sie flexibler und besser für zerbrechliche Objekte geeignet macht.“
Mathot hat zuvor an MACHINA gearbeitet, einem ähnlichen Beschleuniger, der in Zusammenarbeit mit INFN und anderen CERN-Spezialisten entwickelt wurde. MACHINA ist der erste transportable Beschleuniger und wird bald am Opificio delle Pietre Dure (OPD) in Florenz zur Untersuchung von Kunstwerken in Betrieb genommen.
Courtney Nimura, Archäologin, die mit Professor Jamie Hampson an der University of Exeter an dem Projekt arbeitet, ist im Rahmen des Projekts für zerstörungsfreie mobile Analyse- und Bildgebungsgeräte (NoMAD) beteiligt.
„Wir wissen immer noch nicht viel darüber, was vor Tausenden von Jahren zur Herstellung von Felskunstpigmenten verwendet wurde“, sagt sie. „Wir sind bei den Analysetechniken, die wir bei archäologischen Feldarbeiten verwenden können, begrenzt, da Proben normalerweise zu einer Einrichtung gebracht werden müssen. Wir haben große Hoffnungen, dass kompakte Beschleuniger wie ELISA der erste Schritt zur Schaffung eines tragbaren Beschleunigers sind, der in der verwendet werden kann.“ Feld.“
Die Nutzung des Beschleunigers für Experimente live auf der Ausstellungsfläche ist nur eine der geplanten Einsatzmöglichkeiten von ELISA. Eine Reihe von Vorführungen für Besucher, die von Ausstellungsführern präsentiert werden, sind ebenfalls in Planung. Während der Öffnungszeiten des CERN Science Gateway wird bald jeder ELISA in Aktion sehen können.