«Это фантастика!»: новый метод ускорения частиц работает

В будущем, надеются ученые, новый метод позволит существенно уменьшить размеры коллайдеров, ведь сейчас по этому параметру ускорители достигли своего предела. Результаты уже опубликованы в Nature. Эксперимент проводила коллаборация AWAKE, от России в ней участвует Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). О следующих этапах работы и российском вкладе рассказывает руководитель проекта Эдда Гшвентер.  

— Эдда, в чем суть поставленного эксперимента?

— При классической схеме пучок электронов в коллайдере ускоряется под воздействием электромагнитного поля. В нашем эксперименте в плазме летит пучок протонов, он создает волну и тем самым обеспечивает ускорение летящего следом пучка электронов, это называется кильватерным ускорением. Пучок электронов с энергией 19 МэВ пролетел в плазме десять метров и увеличил энергию до 2 ГэВ, то есть более чем в 100 раз. Это значит, что был достигнут средний темп ускорения — 200 МэВ/м.  

— С чего начинался проект AWAKE? Когда присоединилась Россия?

— Я стала одним из лидеров проекта AWAKE в 2012 году, а в августе 2013-го он был одобрен, то есть получил финансирование. Сначала мы писали обоснования, чтобы добиться одобрения проекта в различных комитетах, в 2012 году у нас появился предварительный проект, мы нашли место, где хотим построить здание для проведения эксперимента. На этом этапе у меня появились первые контакты с Будкеровским институтом. Но он участвует в проекте с 2008 года.   

У нас есть несколько команд. Одна занимается физикой, другая — ускорителями, третья, ИЯФ СО РАН, — теорией, то есть расчетами и моделированием. Участие Института имени Будкера менее прикладное, но крайне важное, потому что позволяет нам понимать, на что мы тратим свои деньги. Это очень большая часть работы, и ИЯФ СО РАН занимается ей, так как располагает собственными компьютерными кодами. В частности, его сотрудники написали 2D-код, который оказался весьма полезным. Вообще, есть несколько 3D-программ, и все они позволяют делать прекрасные расчеты, но требуют использования большого количества компьютеров и времени. Если же нужно быстро разобраться с каким-то вопросом или получить данные для того, чтобы начать проектирование эксперимента, то код ИЯФ СО РАН оказывается незаменимым. Для его использования не требуется много компьютеров, а главное — он многократно проверен, ему можно доверять.

Я считаю, что компьютерное моделирование — основной вклад Института ядерной физики им. Г. И. Будкера в этот проект. Помимо моделирования, ИЯФ СО РАН участвовал также в проведении эксперимента. Для меня взаимодействие с сотрудниками института было чрезвычайно полезно. На основе их расчетов мы смогли сделать первоначальный проект установки, изучить особенности ускорения электронов и понять, как происходит самомодуляция пучка протонов. Это был настоящий вызов! Особенно это касается моделирования поведения пучков электронов и протонов в плазме, ведь это terra incognita, в отличие, например, от процессов, происходящих в LHC. С помощью этих расчетов мы поняли, как строить установку, какие у нее будут параметры, какие пучки использовать. Это помогло нам обосновать проект в руководстве CERN. Мне кажется, AWAKE — один из самых быстро одобренных экспериментов CERN: от рекомендации до согласования прошло всего полгода.

— Каков бюджет проекта?

— Сейчас вклад CERN составляет 15 миллионов швейцарских франков, но он не включает зарплату постоянных сотрудников ЦЕРН, только расходы на материалы и оплату студентам, аспирантам и временных позиций. Средства нужны, например, на создание магнитов, каналов вывода пучка и прочее высокотехнологичное оборудование. Общая стоимость вместе с вкладом других институтов, участвующих в коллаборации, составляет 20-25 миллионов швейцарских франков.

Итак, на настоящий момент мы концептуально доказали, что можем ускорять пучок электронов в плазме.

— Те самые успешные десять метров, о которых написано в статье Nature.

— Именно. Мы продемонстрировали эту возможность на плазменной ячейке длиной десять метров. Энергия пучка протонов очень большая — она составляет килоджоуль, — поэтому очень выгодно использовать его в качестве драйвера. В других экспериментах, например BELLA, в качестве драйвера используют лазер, его энергия намного меньше, всего несколько джоулей. Основная цель нашего эксперимента — приложения в области физики высоких энергий. Если мы хотим ускорить электроны до высокой энергии, нам нужно использовать очень длинную плазменную ячейку. При этом драйвер должен пройти всю длину, не разрушившись от взаимодействия с плазмой. С протонным пучком такой проблемы нет, потому что его энергия настолько большая, что он не тормозится в плазме полностью и не теряет всей своей энергии. Он отдает плазме только часть энергии, а плазма, в свою очередь, отдает ее электронам — в этом и заключается красота нашего эксперимента. 

— Верите ли вы, что коллайдеры будут устроены на таком принципе работы?

— Да, конечно, мы стремимся к этому.

— Когда?

— Существует Международный комитет по ускорителям будущего (International Committee for Future Accelerators), это международная организация, я в ней состою. Мы думаем над тем, как построить ускоритель на энергию несколько ТэВ, основанный на плазме. Надеемся, что к 2035 году будет подготовлен подробный проект.

— Какой будет следующий шаг? Нужно построить еще 10, 20, 100 метров? Или следует увеличивать энергию?

— Важны оба эти параметра. AWAKE продемонстрировал принципиальную возможность такого ускорения, первый шаг сделан. Сложность в том, что для такого эксперимента необходим очень короткий пучок протонов, которых в природе не существует. Почему же эксперимент все равно удался? Дело в том, что при прохождении протонов в плазме происходит самомодуляция пучка. Значит, он распадается на микропучки, за счет которых работает кильватерное ускорение. Мы это продемонстрировали, и это была цель на 2016-2017 годы. Это очень нетривиальная физическая задача, и на самом деле это фантастика, что нам удалось ее решить.

Длина пучка протонов составляет 12 сантиметров, он проходит через плазму и распадается на сотни микропучков с интервалом около одного миллиметра. Это расстояние зависит от плотности плазмы: если плотность выше, то оно короче.  

Таким образом, мы впервые в мире показали, что пучок протонов создает в плазме кильватерную волну, в которой ускоряются электроны.

— Невероятно!

— Именно. Еще невероятно, что наш проект на протяжении всего времени реализовывался строго по плану. В этом году у нас четыре экспериментальных захода, и соблюсти график было непросто.

Первая задача AWAKE на будущее — изменить установку и поставить эксперимент таким образом, чтобы показать, что мы можем получить электронный пучок хорошего качества и что он пригоден для физических приложений. Вторая задача — продемонстрировать его масштабируемость, то, о чем вы спрашивали. Эта программа еще не одобрена, и нам предстоит пройти такой же путь, как в 2013 году.   

— Надеюсь, вы сделаете это так же быстро, как в первый раз.

— Да, и в этом может помочь Институт имени Будкера, так как нам необходимо понять, каким должен быть базовый проект этого эксперимента, как получить пучок хорошего качества. На сегодня мы сделали очень много расчетов, потому что разработка установки полностью основана на моделировании. Сейчас мы понимаем, что лучше сделать две плазменные ячейки. Длина первой будет составлять пять-десять метров. В ней будет происходить самомодуляция пучка протонов. Потом протоны полетят в другую ячейку, в которую мы тоже инжектируем пучок электронов. Здесь и будет происходить кильватерное ускорение. Институт выполнил очень много расчетов схемы инжекции, и сейчас мы с ним продолжаем работать над выбором концепции установки.

— Что это будет за машина? 

— С технической точки зрения проще всего было бы сделать две ячейки плазмы, с зазором в два метра, в котором будет происходить инжекция электронов. Но расчеты показали, что это может ухудшить качество пучка. Теперь мы знаем, что зазор должен быть достаточно маленьким, но вопросов к инженерам все еще очень много.

— Какие возможны физические приложения этого метода ускорения?

— Основных приложений два. Одно из них: эксперимент с фиксированной мишенью для поиска темной материи в CERN, подобный эксперименту NA64. Мы посчитали, что если применим нашу технологию, то сможем производить гораздо больше электронов, результат будет намного интереснее. Конечно, эксперимент нужно адаптировать — и ИЯФ СО РАН тоже этим занимается. Необходимо установить, какой длины будет установка, какого размера ячейки плазмы, каковы будут потери электронов, какие физические процессы там будут происходить. Уже есть первые расчеты проекта установки. Эту информацию нельзя получить из эксперимента, поэтому важно моделирование.   

Второе приложение — эксперимент, который называется Plasma Electron-Proton/Ion Collider. Суть в том, чтобы столкнуть электроны, ускоренные в плазменной секции, с пучком протонов из Протонного суперсинхротрона (SPS). По расчетам, для этого эксперимента необходимо построить плазменную установку размером 130 метров, которая произведет электроны с энергией 70 ГэВ: они, в свою очередь, будут сталкиваться с протонами с LHC. Для этого эксперимента нам потребуется установить, нужно ли строить новые туннели. Расчеты помогут определить, какую энергию мы можем получить, какое качество пучка будет в этом эксперименте, какие параметры должны быть у протонного драйвера.  

Потенциально, в далеком будущем, возможны и другие приложения этого метода — например, связанные с медициной. Ведь зачастую использование ускорителей в медицине ограничено их размером. Но пока наш приоритет— физика высоких энергий.