Не так давно ученые-физики Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли установили новый мировой рекорд в области ускорения элементарных частиц. На 20 сантиметровом участке плазменного ускорителя электронные лучи были разогнаны до энергии от 0 до 7.8 миллиардов электрон-вольт (ГэВ). Отметим, что предыдущий рекорд в этой области был установлен этими же учеными, он составлял 4.2 ГэВ и был получен на ускорителе, длиной чуть более 9 сантиметров.
В данной технологии ускорения частиц используются импульсы лазерного света, производящие плазменные волны, которые, в свою очередь, создают электромагнитные поля в тысячи раз более сильные, чем поля, создаваемые радиочастотными резонаторами больших ускорителей, таких как Большой Адронный Коллайдер. И заряженные частицы, подобно серферам на гребне волны, разгоняются до очень высоких энергий, пройдя дистанцию в несколько десятков сантиметров.
Для сравнения укажем, что скорость разгона частиц в 27-километровом туннеле Большого Адронного Коллайдера составляет приблизительно 5 миллионов Вольт на метр. Технология же плазменного ускорения обеспечивает в самом худшем случае около 200 миллионов Вольт на метр.
В качестве ускорителя используется сапфировая трубка, заполненная газом, атомы которого переводятся в возбужденное состояние и образуют плазму при помощи прикладываемого электрического потенциала. А ударные плазменные волны вырабатываются светом лазера, которой нацелен в центральную часть трубки и воздействие которого приводит к своего рода микровзрыву в точке фокусировки лазерного луча.
Микровзрывы, постоянно подпитываемые энергией последующих лазерных импульсов, формируют в плазме волны, которые захватывают в свою ловушку свободные электроны, разгоняют их и отправляют на пределы трубки в виде высокоэнергетического луча.
Во время предыдущего "рекордного" эксперимента в 2014 году, в ходе которого была получена энергия в 4.2 ГэВ, неравномерность распределения плотности плазмы в канале привела к тому, что фокусировка луча лазера, проходящего по центру плазменного канала, была потеряна, что привело к повреждению сапфировой трубки. Сейчас же исследователи улучшили данную технологию путем использования света второго лазера, который выполняет роль стабилизатора плазменных волн.
В ходе следующих экспериментов ученые планируют получить больший уровень контроля за процессом инжекции свободных электронов в плазменную волну, что позволит во много раз поднять качественные показатели выходного электронного луча. После этого будет произведена попытка объединения нескольких этапов разгона электронов в один более длительный процесс, что позволит получить на выходе электроны с еще большей энергией.