Плазма позволит строить короткие ускорители частиц
Исследователи из Департамента энергетики Национальной ускорительной лаборатории США SLAC и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) провели эксперимент по ускорению электронов волнами плазмы (ионизированного газа) на малых расстояниях. Своей работой физики продемонстрировали эффективность этой методики для применения в самых разных практических целях: от медицины и национальной безопасности до промышленности и исследований в области физики высоких энергий.
Это достижение, отмечают физики, является важной вехой в демонстрации практичности так называемого кильватерного ускорения — технологии, при которой электроны наращивают энергию, передвигаясь по волнам других электронов в ионизованном газе.
Учёные впервые смогли увеличить энергию электронов в 400-500 раз по сравнению с той, которая может быть достигнута в обычном ускорителе. Также важно отметить, что энергия передаётся электронам без потерь, то есть с гораздо большей эффективностью, чем в обычных экспериментах. В своей статье, опубликованной в журнале Nature, физики пишут, что подобного сочетания высокого уровня энергии и эффективности ранее никому достичь не удавалось.
"Работа ускорителя во многом определяется тем, как быстро частицы можно разогнать до определённых скоростей. Для того чтобы сравнить наши результаты с итогами других исследований в контексте экспериментов физики высоких энергий, мы наглядно продемонстрировали, что данная методика пригодна для ускорения электронного пучка при тех же энергиях, достигнутых на двухкилометровом линейном ускорителе, менее чем за 20 метров", — рассказывает ведущий автор исследования Майк Литос (Mike Litos), научный сотрудник SLAC.
Кильватерное ускорение было предметом исследования физиков на протяжении 35 лет. Учёные считали, что этот метод является единственной "тропинкой" на пути к созданию дешёвых "коротких" ускорителей будущего. Сотрудничество Лаборатории SLAC и Калифорнийского университета в данной сфере длится уже более десяти лет, за которые было достигнуто очень многое.
Так, в громкой статье, опубликованной в 2007 году, учёные объявили, что они "разогнали" электроны в хвосте длинного электронного сгустка с 42 миллиарда электронвольт до 85 миллиардов электронвольт. Как рассказывается в пресс-релизе Лаборатории, эта новость привела в волнение весь научный мир.
Однако в том исследовании учёные фактически смогли накачать энергией менее чем 1 миллиард из 18 миллиардов электронов в сгустке. Кроме того, разброс полученных энергий был слишком велик, чтобы говорить об эффективности методики.
В своём новом исследовании учёные отправляли пары электронных сгустков, содержащих по 5-6 миллиардов частиц каждый, в генерируемые лазером колонны плазмы. Последние находились внутри "печи" из горячего газа атомов лития. Первый сгусток в каждой паре, пробегающей вдоль колонны, играл роль плуга. Он выбивал все свободные электроны из атомов лития, оставляя лишь положительно заряженные ядра — это явление известно как "режим выброса". При нём облако газа трансформируется в плазму. Выбитые с орбит электроны оказывались в хвосте первого сгустка из пары и перед вторым электронным сгустком. Они образуют плазменный след, который придаёт второму сгустку электронов более высокие энергии.
Предыдущие эксперименты уже показали эффективность метода ускорения сразу нескольких электронных сгустков, но команда Литоса оказалась первой, кому удалось добиться столь высоких энергий при такой эффективности в рамках "режима выброса" да ещё и с относительно небольшим разбросом по энергии.
"Эти результаты имеют особую значимость и вне фундаментального эксперимента. Использование двух электронных сгустков позволило нам достичь рекордных 50% энергоэффективности, а этого уже достаточно, чтобы доказать пригодность кильватерного ускорения для применения в ускорителях будущего", — рассказывает соавтор исследования Марк Хоган (Mark Hogan), также сотрудник SLAC.
У учёных впереди ещё много работы. По словам Хогана, перед тем как кильватерное ускорение можно будет широко применять в небольших ускорителях, необходимо научиться формировать сгустки и удерживать расстояние между ними таким образом, чтобы все электроны во втором сгустке получали бы одинаковое количество энергии, сохраняя при этом высокое качество электронного пучка. Эксперименты для достижения этих целей начнутся в ближайшее время.
Это достижение, отмечают физики, является важной вехой в демонстрации практичности так называемого кильватерного ускорения — технологии, при которой электроны наращивают энергию, передвигаясь по волнам других электронов в ионизованном газе.
Учёные впервые смогли увеличить энергию электронов в 400-500 раз по сравнению с той, которая может быть достигнута в обычном ускорителе. Также важно отметить, что энергия передаётся электронам без потерь, то есть с гораздо большей эффективностью, чем в обычных экспериментах. В своей статье, опубликованной в журнале Nature, физики пишут, что подобного сочетания высокого уровня энергии и эффективности ранее никому достичь не удавалось.
"Работа ускорителя во многом определяется тем, как быстро частицы можно разогнать до определённых скоростей. Для того чтобы сравнить наши результаты с итогами других исследований в контексте экспериментов физики высоких энергий, мы наглядно продемонстрировали, что данная методика пригодна для ускорения электронного пучка при тех же энергиях, достигнутых на двухкилометровом линейном ускорителе, менее чем за 20 метров", — рассказывает ведущий автор исследования Майк Литос (Mike Litos), научный сотрудник SLAC.
Кильватерное ускорение было предметом исследования физиков на протяжении 35 лет. Учёные считали, что этот метод является единственной "тропинкой" на пути к созданию дешёвых "коротких" ускорителей будущего. Сотрудничество Лаборатории SLAC и Калифорнийского университета в данной сфере длится уже более десяти лет, за которые было достигнуто очень многое.
Так, в громкой статье, опубликованной в 2007 году, учёные объявили, что они "разогнали" электроны в хвосте длинного электронного сгустка с 42 миллиарда электронвольт до 85 миллиардов электронвольт. Как рассказывается в пресс-релизе Лаборатории, эта новость привела в волнение весь научный мир.
Однако в том исследовании учёные фактически смогли накачать энергией менее чем 1 миллиард из 18 миллиардов электронов в сгустке. Кроме того, разброс полученных энергий был слишком велик, чтобы говорить об эффективности методики.
В своём новом исследовании учёные отправляли пары электронных сгустков, содержащих по 5-6 миллиардов частиц каждый, в генерируемые лазером колонны плазмы. Последние находились внутри "печи" из горячего газа атомов лития. Первый сгусток в каждой паре, пробегающей вдоль колонны, играл роль плуга. Он выбивал все свободные электроны из атомов лития, оставляя лишь положительно заряженные ядра — это явление известно как "режим выброса". При нём облако газа трансформируется в плазму. Выбитые с орбит электроны оказывались в хвосте первого сгустка из пары и перед вторым электронным сгустком. Они образуют плазменный след, который придаёт второму сгустку электронов более высокие энергии.
Предыдущие эксперименты уже показали эффективность метода ускорения сразу нескольких электронных сгустков, но команда Литоса оказалась первой, кому удалось добиться столь высоких энергий при такой эффективности в рамках "режима выброса" да ещё и с относительно небольшим разбросом по энергии.
"Эти результаты имеют особую значимость и вне фундаментального эксперимента. Использование двух электронных сгустков позволило нам достичь рекордных 50% энергоэффективности, а этого уже достаточно, чтобы доказать пригодность кильватерного ускорения для применения в ускорителях будущего", — рассказывает соавтор исследования Марк Хоган (Mark Hogan), также сотрудник SLAC.
У учёных впереди ещё много работы. По словам Хогана, перед тем как кильватерное ускорение можно будет широко применять в небольших ускорителях, необходимо научиться формировать сгустки и удерживать расстояние между ними таким образом, чтобы все электроны во втором сгустке получали бы одинаковое количество энергии, сохраняя при этом высокое качество электронного пучка. Эксперименты для достижения этих целей начнутся в ближайшее время.