Фізики встановили новий світовий рекорд для плазмових прискорювачів, розігнавши електрони до енергії 7,8 ГЕВ в трубці довжиною всього 20 сантиметрів.
Міжнародний колектив дослідників, що працює в Національній лабораторії ім. Лоуренса Берклі (США), розробив новий метод прискорення електронів за допомогою лазера в плазмовому прискорювачі. Для цього використовували не один, як зазвичай, а два лазерних імпульсу. Перший лазерний імпульс нагрівав плазму і «сверлив» у ній канал, а другий прискорював електрони в отриманому каналі.
Використовуючи такий підхід, дослідники встановили новий світовий рекорд для прискорювачів подібного типу: у плазмовій трубці довжиною всього 20 сантиметрів вони прискорили електрони до енергії 7,8 ГЕВ (мільярдів електронвольт). Звичайним прискорювачам частинок, навіть найсучаснішим, для цього потрібні сотні метрів.
У дослідженні, результати якого опубліковані в журналі Physical Review Letters, брали участь фізики з Інституту прикладної математики ім. М.В. Келдиша РАН і Національного дослідницького ядерного університету «МІФІ».
Ускорители частинок - незамінні інструменти в багатьох галузях науки, промисловості та медицини. Звичайні прискорювачі використовують у резонаторах електромагнітні коливання радіодієстону, щоб розганяти пучки електрично заряджених частинок. В даний час ця технологія добре розвинена і виробляє високоякісні пучки частинок, але прискорювачі високих енергій вимагають багато місця і грошей
. Лазерне плазмове прискорення ґрунтується на іншому принципі. Через плазму пропускають інтенсивний лазерний імпульс, званий драйвером. Як корабель на воді, він створює на своєму шляху хвилі в плазмі. Електрони катаються на них, немов серфінгісти. Драйвер, рухаючись крізь плазму, зрушує легкі електрони, тоді як важкі іони залишаються майже нерухомими. Завдяки такому поділу частинок за драйвером утворюються хвилі щільності заряду з величезною напруженістю електричного поля. Плазмові хвилі здатні розігнати наступні за драйвером у потрібній фазі частинки значно швидше, ніж кращі звичайні прискорювачі. Такий метод отримав назву кільватерного прискорення по асоціації з кільватерним слідом - обуренням, створюваним у воді рухомим кораблем. І хоча ще належить вирішити безліч проблем, метод обіцяє значно дешевші і компактніші прискорювачі, а також їхні нові сфери застосування
. Чим потужніший лазерний імпульс, тим сильніше прискорення. В даному випадку експериментатори використовували неймовірно інтенсивні і короткі лазерні імпульси «драйвера» з піковою потужністю близько 850 трильйонів Ватт і тривалістю близько 35 фемтосекунд (10-15 с). Така пікова потужність еквівалентна одночасному включенню близько 8,5 трильйонів 100-ватних лампочок,
однак простого створення великих плазмових хвиль виявилося недостатньо для дуже сильного прискорення. Необхідно було створити ці хвилі по всій довжині 20-сантиметрової сапфірової трубки, в якій відбувався процес прискорення. А для цього був необхідний плазмовий канал діаметром в десятки мікрометрів, який би обмежував лазерний імпульс майже так само, як оптоволоконний кабель. На відміну від звичайного оптичного волокна, плазмовий канал здатний витримувати надінтенсивні лазерні імпульси, необхідні для прискорення електронів. Але не все так просто: у попередніх спробах лазер втрачав своє фокусування і пошкоджував сапфірову трубк
у. В експерименті 2014 року для створення плазмового каналу використовувався електричний розряд, але він не мав потрібних властивостей для переходу до більш високих енергій. Рішення проблеми було натхненне ідеєю 1990-х років про використання лазерного імпульсу для нагріву плазми і формування каналу
. Велику роль у дослідженні зіграло чисельне моделювання лазерно-плазмових взаємодій, яким займалися фахівці Інституту прикладної математики ім. М.В. Келдиша РАН і їх чеські колеги з проекту ELI-Beamlines. Воно дозволило зрозуміти, як досягти бажаного результату, а надалі підкаже, що робити далі
. Цей результат лабораторії Берклі дослідники вважають важливою віхою для лазерних плазмових прискорювачів. Він не тільки встановлює рекорд, а й презентує нову технологію, що відкриває нові можливості для роботи. Оптимізація методу зможе підвищити енергію нової техніки прискорення плазми до 10 ГЕВ і вище. Хоча плазмові прискорювачі не здатні прискорювати стільки частинок, скільки звичайні прискорювачі, вони можуть забезпечити нові додатки, такі як настільні рентгенівські лазери і компактні джерела світла
. За матеріалами лабораторії Берклі