Одразу дві групи експериментаторів сконструювали новий двоступінчастий лазерно-плазмовий прискорювач. Електронний згусток створюється і прискорюється до енергії близько 1 ГеВ одним-єдиним лазерним імпульсом, причому довжина тандему «інжектор плюс прискорювач» не перевищує одного сантиметра.

Масштаби сучасних прискорювачів елементарних частинок вражають. Довжина тунелю Великого адронного коллайдера становить 27 км, а проектований зараз лінійний електрон-позитронного коллайдера наступного покоління буде мати близько 50 кілометрів в довжину. Такі колосальні для наукових приладів розміри – не примха фізиків, вони виникають з тієї простої причини, що сучасні технології не здатні досить швидко прискорювати елементарні частинки.

Взагалі, прискорюють частки сильним електричним полем, причому, чим сильніше поле, тим ефективніше прискорення. У сучасних прискорювачах використовується електричне поле стоячій радіохвилі, яку накачують і утримують у спеціальних металевих надпровідних резонаторах. Але у цієї методики є свій технологічний межа: якщо радіохвиля буде занадто потужною, по поверхні резонатора тектимуть занадто великі струми, і матеріал таких струмів просто не витримає. Тому межа електричних полів у резонаторах на сьогодні – приблизно 20 мегавольт на метр (МВ / м), і піднятися істотно вище цього значення навряд чи вдасться. Це означає, що досягти енергією 500 ГеВ (планована енергія електронів на майбутньому лінійному колайдері) можна лише на довжині 25 км, через що лінійний коллайдер стає не тільки виключно складним, але і дуже дорогим приладом.

Можливим вирішенням цієї проблеми може стати принципово нова технологія прискорення елементарних частинок. Така технологія існує – це так зване кільватерной прискорення електронів у плазмі, і воно вже навіть було реалізовано експериментально. У цій схемі сверхсильное електричне поле створюється не в металевій структурі, а в маленькому рухомому вперед бульбашці плазми, який породжується або надсильних лазерним імпульсом, або компактним згустком частинок. Електронний згусток влітає в цей пухирець і, немов осідлавши хвилю, за короткий час прискорюється до великих енергій (подробиці див у популярній статті Плазмові прискорювачі).

Експеримент показав, що електричне поле в такому плазмовому прискорювачі може в тисячі разів (!) Перевищувати те, що досяжно в резонаторах. Наприклад, в 2006 році було досягнуто прискорення електронів до енергії 1 ГеВ на ділянці завдовжки трохи більше 3 см, що відповідає прискорює полю напруга 30 ГВ / м. Ці досягнення відкривають запаморочливі перспективи -адже за допомогою технології кільватерного прискорення той же електрон-позитронного коллайдера на 500 ГеВ можна, здавалося б, умістити в сотню метрів. Однак не все так просто: є цілий ряд труднощів, які потрібно подолати, перш ніж подібні проекти стануть реальністю.

По-перше, така методика випробувана лише на ділянках довжиною в сантиметри (втім, зараз з'являються пропозиції, як ці труднощі подолати). Тому для досягнення по-справжньому високих енергій потрібно прискорювати частинки, проганяючи їх через безліч послідовних «ступенів прискорювача». Однак таке комбінування прискорюють осередків поки що не було реалізовано. По-друге, прискорювач не повинен занадто сильно розмазувати згусток прискорених частинок ні в просторі, ні по кутах розбіжності, ні за енергією.

У липні в журналі Physical Review Letters з'явилися відразу дві статті, в яких повідомляється про подолання цих труднощів. Більш конкретно, дві групи дослідників незалежно один від одного сконструювали двоступінчастий повністю оптичний лазерно-плазмовий прискорювач електронів. Схема експерименту показана на рис. 1. Для прикладу тут зображена установка китайської групи фізиків; схема експерименту у статті американської групи була дуже схожою.

Серцем установки є дві соосно з'єднаних циліндричних камери міліметрових розмірів. Перша камера заповнена сумішшю гелію і кисню, друга – чистим гелієм. Потужний надкороткий фокусований лазерний імпульс проходить послідовно через обидві камери, іонізуючи газ і створюючи плазмовий бульбашка спочатку в першій, а потім в другій камері. Робочим газом для створення плазми та прискорення електронів є гелій, а кисень в першій камері потрібний як джерело електронів. Установка не даремно називається "повністю оптичним прискорювачем»: ніяких зовнішніх електронів в неї не надходить. Електрони породжуються в першій камері за рахунок іонізації атомів кисню під дією лазерного спалаху, там же вони попередньо розганяються, потім впорскується в другу камеру, розганяються там ще більше (за рахунок тієї ж самої лазерної спалаху) і потім виходять назовні.

Таким чином, на довжині менше сантиметра фізики примудрилися створити цілий прискорювальний комплекс: інжектор з попередніми прискорювачем, лінія передачі, а потім основний прискорювач. Підкреслимо, що ці дві секції прискорювача працюють не незалежно, а в єдиному тандемі: один-єдиний надкороткий лазерний імпульс, що йде крізь обидві камери, виконує за один прохід всю роботу: породжує потрібні бульбашки плазми, генерує компактний електронний згусток, а потім розганяє його в двох камерах.

Досліди показали, що енергія електронного сгУстка на виході залежить як від довжини прискорює секції, так і від потужності спалаху. Залежність від потужності лазера виявилася не зовсім простий: найбільша енергія електронів на виході (0,8 ГеВ) досягалася зовсім не при максимальній потужності спалаху. Це пов'язано з тим, що згустку електронів треба не просто потрапити в плазмовий бульбашка, але і розташуватися якомога ближче до його задній стінці – там електричне поле найсильніше.

Рис. 2. Енергетичне (по горизонталі) і кутове (по вертикалі) розподіл електронів після інжектора (вгорі) і на виході двоступінчастого прискорювача (внизу). Зображення зі статті B. B. Pollock et al.

Ще одним успіхом цієї двоступеневої схеми прискорення стали чудові характеристики згустку електронів на виході. На рис. 2 показано розподіл електронів по енергії і по кутовому розбіжності згустку; зображення вгорі відповідає тільки однієї стадії (інжектор без прискорювача), зображення внизу – повного тандему. В обох випадках по горизонталі показана енергія електронів, по вертикалі – кутове розбіжність в міллірадіанах (кут в один градус – це приблизно 17 мрад). Картинки вгорі і внизу відрізняються разюче. Після стадії інжектора електрони розганяються приблизно до 100 МеВ, але їх енергія розмазана в широкому інтервалі. Однак після проходження другого ступеня прискорювача пучок не тільки здобуває енергію майже 0,5 ГеВ, а й стає набагато компактніше, як по енергії, так і по кутах.

Автори обох робіт відзначають, що нинішню схему можна ще оптимізувати, досягнувши при цьому енергій 10 ГеВ. Таким чином, отримання компактних многогевних електронних згустків в чисто оптичному і практично настільному експерименті здається справою найближчого майбутнього. Звичайно, такий лазерний прискорювач поки не може змагатися з нинішніми великого коллайдера по світності (тобто інтенсивності пучків). Однак такому пучку, одержуваному на дуже компактною і відносно дешевої установці, знайдеться і безліч інших застосувань, як наукових, так і прикладних. Нагадаємо, що зараз в світі існує приблизно 20 тисяч прискорювачів, з яких тільки близько сотні зайняті вивченням фізики мікросвіту, а решта використовуються в біомедичних цілях, у матеріалознавстві, в системах безпеки і т. д. Тому будь-який новий тип компактного прискорювача частинок буде відразу взято на озброєння (див. наприклад новина Перше застосування лазерних прискорювачів буде медцинским).

За матеріалами: elementy.ru.

Tweet