Чем больше коллайдер, тем выше энергия столкновения частиц, и тем больше открывается новых областей для исследования. Но ставка на сверхвысокие энергии – это дорого и сложно. Поэтому в физике развиваются другие методы, один из них – кильватерное ускорение, при котором пучок частиц ускоряется электрическим полем плазменной волны, возбуждаемой драйвером. В лаборатории SLAC (США) впервые в мире была измерена долговременная динамика плазменной кильватерной волны.
Эксперимент помогли интерпретировать теоретики Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). Они рассчитали динамику волны до 1500 пикосекунд, что в 40 раз превосходит результаты других теоретических групп. Оказалось, что более 80% начальной энергии волны остаётся в плазме и переходит в энергию ее разлёта. Это делает оценки некоторых параметров будущих кильватерных ускорителей менее оптимистичными, чем считалось ранее. Статья об этом опубликована в Nature Communications.
Ускорители элементарных частиц – один из главных инструментов фундаментальной науки в исследовании материи, также они применяются в прикладных областях. Но современные задачи ставят все более высокие требования к энергии ускоряемых частиц. Крупнейшие современные установки имеют характерные размеры в несколько километров, а их создание и обслуживание обходится в миллиарды долларов. При этом классические технологии, по которым строятся ускорители, приближаются к своему пределу. Это заставляет искать альтернативные методы, например, плазменное кильватерное ускорение. Идея кильватерного ускорения в плазме возникла в 70-х годах, а название метода появилось из-за аналогии со следом на поверхности воды, который остается за кормой идущего судна. Пучок-драйвер, проходя через плазму, создает в ней волну и таким образом разгоняет электроны, летящие следом.
В эксперименте SLAC, предназначенном для уточнения механизмов кильватерного ускорения, в камеру с газом был направлен электронный пучок, поле которого настолько сильное, что разрывает связи между электронами и ионами атомов газа, в результате чего образуется плазма. В плазме хвостом пучка возбуждается кильватерная волна большой энергии.
«Главной целью эксперимента было наблюдение эволюции плазмы на больших временах, – прокомментировал аспирант НГУ Вадим Худяков. – Также физики пытались установить, каким образом энергия волны перераспределится после её затухания в плазме, и как она покинет камеру. Это нужно для ответа на важный технический вопрос: с какой частотой может работать кильватерный ускоритель, ведь между выстрелами вся энергия предыдущей волны должна быть удалена из камеры. В камеру специальным образом посылали лазерное излучение так, что плазменный канал оказывался для него непрозрачен, что давало тёмное пятно на изображениях. По размерам и скорости роста пятна можно судить, сколько энергии остаётся в плазме, и как быстро она достигнет стенок камеры».
Константин Лотов, доктор физико-математических наук, профессор НГУ, главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН отметил, что эксперимент получился сложный не только в постановке, но и в обработке:
«Его ставили признанные мастера своего дела. Темное пятно на экране расширялось намного быстрее, чем можно было ожидать из сколько-нибудь разумных соображений. Оказалось, что за быстрым ростом пятна стоит много новых эффектов, о которых раньше никто не подозревал. Для объяснения эксперимента объединили свои усилия две ведущих вычислительных команды: теоретики из Лиссабонского университета (Португалия) с кодом OSIRIS, и мы c программой LCODE. У них была возможность рассчитать, что происходит в плазме на начальных временах (до 40 пикосекунд). Мы же рассчитали динамику до 1500 пикосекунд – в 40 раз дальше португальцев и всего мира, и в итоге добились количественного согласия с экспериментом».
Плазма имеет давление гораздо большее, чем у окружающего газа, и неизбежно начинает разлетаться к стенкам, но естественная оценка скорости этого разлёта не соответствовала наблюдаемой, и количества этой плазмы не хватило бы для пятна такого размера. Стало очевидно, что возникает большое количество новой плазмы, то есть происходит дальнейшая ионизация газа, пояснил Вадим Худяков.
LCODE – программа, разработанная в ИЯФ СО РАН под руководством Константина Лотова. Она предназначена для численного моделирования взаимодействия плазмы с пучками заряженных частиц при параметрах реальных экспериментов по кильватерному ускорению. С одной стороны, она позволяет сравнивать результаты экспериментов и моделирования и удостовериться, что физики правильно понимают происходящие явления. С другой, код помогает подсказать оптимальные параметры установок для будущих экспериментов и приблизиться к практической реализации кильватерного ускорителя. За счет использования оригинальных физических моделей LCODE существенно уменьшает время моделирования и позволяет рассматривать процесс на временах, недоступных другим, более «прямолинейным» кодам.
«Как только была высказана идея об ионизации газа разлетающейся плазмой, возникла необходимость учесть это в LCODE, – комментирует Вадим Худяков. – Но ионизация – сложный процесс, который может проходить разными способами, моей задачей и было составить правильную физическую модель и учесть все эти способы, а потом реализовать в программе LCODE. В итоге нам удалось достигнуть количественного согласия роста пятна в эксперименте и в нашем моделировании. Эксперимент (ввиду технической сложности) даёт гораздо меньше информации, чем моделирование, но когда получено согласие, можно доверять той дополнительной информации и ответить на интересующие вопросы. В моделировании мы выяснили, что в самом начале волна выбрасывает часть электронов из плазмы, в этом случае плазма расширяется не из-за собственного давления, а из-за того, что становится заряженной. Скорость такого разлёта оказывается гораздо выше, а совместное действие разных способов ионизации объясняет появление новой плазмы. Главным результатом оказалось то, что более 80% начальной энергии волны остаётся в плазме и переходит в энергию этого разлёта. Это делает оценки возможной частоты выстрелов менее оптимистичными, чем считалось ранее».
Авторы отмечают, что в моделировании также было замечено много нетривиальных эффектов, объяснением которых они планирует заниматься в будущем. В диагностике текущего эксперимента их было невозможно наблюдать, но они могут сыграть роль в последующих, более тонких наблюдениях.