В Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН проходит собрание международной коллаборации AWAKE, на котором обсуждается новый принцип ускорения заряженных частиц, использующий плазму и протонный пучок. Это может открыть путь к созданию коллайдеров нового типа, где увеличение энергии не будет сопровождаться ростом размеров установок
«Эксперимент AWAKE основывается на коллективных методах ускорения пучков заряженных частиц. Несмотря на то, что о таких методах заговорили ещё в 50-х годах прошлого столетия, тема оказалось настолько сложной, что до сих пор не существует конкретных установок, которые бы их использовали. Все работы носят экспериментальный характер, — рассказывает заместитель директора ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Евгений Борисович Левичев.— Если этот метод удастся реализовать, то ускорители, занимающие сейчас десятки километров, можно будет делать в масштабе нескольких метров. Это коренным образом изменило бы ландшафт ускорительной физики».
Кроме установок для фундаментальных экспериментов, метод может позволить создавать супер-коллайдеры для прикладного использования. Например, сегодня всерьёз рассматриваются основанные на подобных разработках ускорители протонов, которые могли бы применяться для лечения рака.
«Я долгое время работал в области физики высоких энергий, и там в последние 50 лет прогресс обеспечивался увеличением размеров установок. Сейчас, видимо, он упирается в некий предел. Подобный метод может позволить преодолеть это ограничение и увеличить энергию при установках разумных размеров и, соответственно, продвинуть таким образом границы понимания фундаментальной физики, — комментирует директор Института физики им. Макса Планка (Мюнхен, Германия), руководитель коллаборации Аллен Калдвелл. — Идея коллективных методов ускорения не нова, в частности, очень успешно развивается направление в области лазерных методов ускорения, но наш проект является уникальным, поскольку здесь используются протонные пучки, которые имеют гораздо большую энергию».
В декабре 2016 года в эксперименте AWAKE была зафиксирована модуляция плотности высокоэнергичного протонного пучка на выходе из плазменной секции. Это свидетельствует о наличии в плазме очень сильного электромагнитного поля и открывает путь к дальнейшему использованию протонных пучков для ускорения частиц в плазме. Протонный пучок выступает драйвером: двигаясь в плазме почти со скоростью света, он создает за собой бегущую волну, в которой ускоряются частицы.
О способности плазмы выдерживать огромные электрические поля известно давно. Сложность в том, чтобы применить её на практике и создать плазменный ускоритель гораздо меньших размеров и большей энергии, нежели доступна сегодня. Несколько научных групп уже показали, что можно ускорять частицы в плазменной волне, создаваемой короткими лазерными импульсами или электронными сгустками. Цель эксперимента AWAKE — продемонстрировать возможность создавать нужную волну протонным пучком — самым мощным источником энергии, пригодным для этих целей.
В этом эксперименте ИЯФ отвечает за теорию, моделирование, предсказание, делает большую часть теоретической работы. Значительная часть идей, которые лежат в основе AWAKE, принадлежит исследователям ИЯФ — в частности, метод расчёта взаимодействия пучка с плазмой, разработанный группой Константина Владимировича Лотова.
«AWAKE — это демонстрационный эксперимент, он направлен на то, чтобы показать принципиальные возможности этого метода ускорения, но в дальнейшем мы хотим разработать более практические приложения для использования его в конкретных целях ускорительной физики», — говорит технический координатор проекта ЦЕРН Эдда Гшвендтнер.
«Наш метод основан на эффекте самомодуляции пучка в плазме. Раньше никто не наблюдал этого явления, а мы в декабре прошлого года получили возможность его зафиксировать. AWAKE сам по себе интересен новой физикой плазмы, но также очень важно, что он поддержан именно ЦЕРН-ом, так как там действительно строят и применяют ускорители высоких энергий. Если метод окажется успешным, то, возможно, он будет использован в постройке электрон-протонного коллайдера ЦЕРН», — отмечает координатор экспериментальной части проекта, ведущий научный сотрудник Института физики им. Макса Планка Патрик Муггли.
«Хоть наш проект и называется экспериментом, на самом деле мы стараемся уменьшить элемент случайности и заранее с наибольшей точностью предсказать результат. Если сделанные для AWAKE прогнозы подтвердятся, в теории можно будет делать новый шаг к следующим полезным ускорителям», — рассказывает координатор проекта по теории и моделированию главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Константин Владимирович Лотов.
Первый этап эксперимента, направленный на демонстрацию взаимодействия протонов и плазмы, которое приводит к формированию структур, подходящих для ускорения электронов, будет длиться до конца 2017 года. Если всё получится, следующим этапом станет инжекция ускорения электронов в этих плазменных волнах, что займёт ещё один год, а потом ЦЕРН закроется на два года для обновления оборудования.