Команда физиков из департамента энергетики в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, США, сконструировала "настольный" ускоритель заряженных частиц. Учёным удалось поставить впечатляющий рекорд эффективности: мини-установка функционировала практически с той же эффективностью, что и некоторые полноразмерные ускорители.
Для создания своей машины исследователи использовали специализированный петаваттный лазер и газ из заряженных частиц — плазму. В подобной конфигурации устройство именуется лазерным ускорителем плазмы, и на неё физики возлагают большие надежды, поскольку такая технология позволит сократить размер установки с нескольких километров до нескольких сантиметров. Это в свою очередь не только экономит средства, но и позволяет различным группам учёных не ждать своей очереди, чтобы воспользоваться одним из таких грандиозных устройств — ускоритель у каждого будет стоять в лаборатории.
В рамках своего эксперимента физики из Беркли попытались разогнать электроны в облаке плазмы, которая находилась внутри 9-сантиметровой трубки. Скорость, которую развили частицы, была эквивалентна энергии 4,25 гигаэлектронвольта. Как отмечают разработчики установки, подобное ускорение на столь короткой дистанции соответствует градиенту энергии в 1000 раз большему, чем у традиционных полномасштабных ускорителей частиц. Об этом учёные сообщают в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
"Такой результат требует высокой степени контроля над лазером и плазмой",
— отмечает ведущий автор исследования доктор Вим Лиманс (Wim Leemans), директор отдела ускорительных технологий и прикладной физики Лаборатории в Беркли.
[Учёным удалось разогнать электроны до высоких энергий внутри трубки длиной всего в 9 сантиметров (фото Roy Kaltschmidt).]
Традиционные ускорители частиц, такие как 17-километровый Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, ускоряют частицы путём модуляции электрических полей внутри кольца. У данной технологии имеются ограничения по энергии — не более 100 мегаэлектронвольт на метр, иначе металлическое кольцо ускорителя разрушится.
Лазерные ускорители плазмы работают по совершенно другому принципу. В рамках данного эксперимента импульс лазерного света отправляется внутрь короткой и тонкой трубки, заполненной плазмой. Лазер генерирует канал внутри плазмы, а также формирует волны, которые захватывают свободные электроны и увеличивают их скорость (и, соответственно, энергию) до высоких значений. Как поясняют физики, этот процесс можно сравнить с тем, как сёрфер набирает скорость по мере движения вдоль гребня волны.
Для своей работы учёные использовали один из мощнейших лазеров в мире — BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator). Эта установка производит около квадриллиона ватт (один петаватт) мощности и является последним словом в лазерных технологиях: BELLA начал свою работу лишь в конце 2013 года.
"Возможности нашего петаваттного лазера действительно впечатляют. Мы способны сфокусировать пучок света на точке диаметром в 500 микрометров, которая удалена на 14 метров от источника. Более того, лазерный импульс, который исходит раз в секунду, остаётся стабильным с точностью до доли процента",
— рассказывает Лиманс.
Исследователи стремились выяснить, как различные параметры повлияют на результат эксперимента. Для этого они провели компьютерное моделирование в Национальном энергетическом научно-исследовательском вычислительном центре США (NERSC). Как выяснилось, даже небольшие изменения в предварительной настройке установки ведут к большой разнице в результатах эксперимента, и частицы уже не обретают должный уровень энергии.
В данный момент Лиманс и его команда работают над тем, чтобы вычислить максимально точные исходные настройки ускорителя, чтобы добиться нужного уровня энергии. Учёные планируют в будущем "разогнаться" до 10 гигаэлектронвольтов. Для этого, по их словам, нужно будет максимально точно контролировать плотность плазменного канала, через который проходит лазерный свет.
Теперь физикам предстоит создать туннель для светового импульса, который обладает строго правильной формой для прогона высокоэнергетических электронов. И эту форму учёным ещё предстоит определить.
Отметим, что над настольными ускорителями частиц также работают и добиваются важных результатов физики университета Техаса и Национальной ускорительной лаборатории США.