Группа ученых из коллаборации AWAKE Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) при участии специалистов Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) создали подробную трехмерную модель поведения пучка электронов во время эксперимента по кильватерному ускорению в плазме. Моделирование показало, что большая часть электронов, инжектируемых в плазменную секцию, теряется при проходе через границу плазмы – в результате значительно падает заряд ускоряемого пучка. По данным специалистов, стоимость одного такого расчета составляет не менее 220 тысяч евро. Результаты опубликованы в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion.
Кильватерное ускорение электронов в плазме – это метод ускорения частиц, идея которого возникла еще в 1970-х годах, а название появилось из-за аналогии со следом на поверхности воды, который остается за кормой идущего судна. Первоначально в качестве такого «судна» или драйвера физики использовали пучок электронов или мощный лазерный импульс, но недавно нашли способ «запрячь» пучок протонов, который содержит в себе в тысячу раз больше энергии. В 2013 году в ЦЕРН начал работу проект AWAKE (полное название - «Advanced proton-driven plasma WaKefield Acceleration Experiment»), основная задача которого – экспериментально подтвердить возможность использования такого метода ускорения электронов.
Для проведения эксперимента использовался синхротрон SPS, который также обеспечивает протонами Большой адронный коллайдер. Пучок протонов из SPS с энергией 400 ГэВ выпускался в специальную плазменную секцию, и, пролетая сквозь плазму, создавал в ней колебания – кильватерные волны. Эти волны разгоняли электроны, которые инжектировались в плазму с относительно низкой энергией под определенным углом. Протоны начали выпускать в плазменную секцию в 2016 году, а через два года – в мае 2018-го – ученым впервые удалось ускорить пучок электронов в плазме при помощи протонного драйвера.
«У нас был определенный прогноз по количеству электронов, которые должны были ускориться при помощи кильватерной волны – 40% от первоначального количества частиц, запускаемых в плазму, однако в некоторых режимах мы получили значение в 300 раз меньше, чем планировали. До детектора в конце плазменной секции долетело только 0,1% от общего числа выпущенных электронов», - рассказывает теоретический координатор проекта AWAKE, главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, профессор НГУ, доктор физико-математических наук Константин Лотов.
Физическая установка – это всегда такой своеобразный черный ящик, - поясняет ученый. - Грубо говоря, у нас есть труба с плазмой, и мы видим только то, что было на входе и то, что получается на выходе, а что же происходит внутри - не очень понятно. Решить эту проблему может трехмерное компьютерное моделирование различных процессов. Наши коллеги из Мюнхенского института имени Людвига и Максимилиана (нем. Ludvig-Maximilians--Universität München – LMU) построили подробную трехмерную модель эксперимента, в которой смогли учесть множество разных физических эффектов. Один из таких эффектов – рассеяние электронов при пересечении плазменной границы. В идеале электроны, выпущенные в плазму, должны попасть прямо в ее центр, «поймать» кильватерную волну и, соответственно ускориться, однако расчеты показали, что, проходя через границу плазмы, многие электроны рассеиваются и фактически погибают».
На создание данной компьютерной модели у специалистов ушло несколько лет. С точки зрения обывателя это довольно большой срок, однако, моделирование физического эксперимента – это сложный и продолжительный процесс, который включает в себя несколько этапов.
«Для начала нам необходимо специальное программное обеспечение – этот шаг занимает большую часть времени, - рассказывает аспирант Мюнхенского института имени Людвига и Максимилиана Нильс Мошуринг (Nils Moschüring). – Кроме того, новое ПО нужно было адаптировать под конкретные задачи эксперимента, а также для работы на суперкомпьютере. Само же моделирование заняло всего 28 дней. В результате мы получили порядка 120 терабайт данных, а фактически просто чисел, которые затем были преобразованы в различные графики и видео».
Как рассказал Нильс Мошуринг, моделирование проводилось на суперкомпьютере SuperMUC Phase 1 в суперкомпьютерном центре Гаусса (нем. Gauss Centre for Supercomputing – GCS), который предоставляет вычислительные мощности для немецких и европейских научных организаций, а его деятельность финансируется из бюджета Германии – как федерального, так и регионального уровней.
Трехмерный расчет кильватерного ускорения – задача не только сложная, но и дорогая. Взяв за основу сумму затрат на создание суперкомпьютера SuperMUC Phase 1 (85 млн. евро) и общее время работы системы – 6 лет, ученый вычислил условную стоимость часа работы машины (0,01 евро), а затем, перемножив это число на количество часов, затраченных на создание трехмерной модели эксперимента AWAKE, получил сумму 220 тыс. евро. Однако, по его словам, это только часть всей стоимости, ведь сюда не входят затраты на текущие обслуживание суперкомпьютера – например, зарплату персонала и расходы на электроэнергию. Если тщательно подсчитать все эти расходы, итоговая стоимость программирования может превысить названную сумму в два раза.
Первый этап эксперимента AWAKE, основная цель которого состояла в том, чтобы экспериментально подтвердить возможность ускорения электронов в плазме, закончился в 2018 году. Запуск второй очереди проекта состоится через несколько лет, к этому времени конструкция плазменной секции планируется изменить. Результаты моделирования поведения пучка электронов обязательно будут учитываться при проектировании новой конфигурации.