Ученые из университета Беркли создали установку по одновременному управлению двумя лазерными кильватерными ускорителями, которая позволит «доразгонять» ускоряемые электроны и сталкивать их друг с другом.
Художественная интерпретация лазерного кильватерного ускорения и его схема. Оранжевым показан лазерный импульс, красным – ускоряемые электроны, а высота (глубина) волны соответствует плотности отрицательного (положительного) заряда. На правой части зеленым показаны траектории электронов относительно сгустка лазерного импульса, и их скопление в задней части пузырька. / © https://loa.ensta-paris.fr/research/upx-research-group/laser-wakefield-acceleration-lwfa/
Традиционные ускорители элементарных частиц не могут воздействовать на них электрическим полем, превосходящим несколько десятков мегавольт на метр. Этот предел является одной из причин гигантских размеров современных ускорителей: при его превышении неизбежно происходит электрический пробой конструкций.
Создание ускоряющих полей в плазме, состоящей из свободных электронов и ионов, способно избежать ограничений, связанных с электрической прочностью. Без поддержки электрические поля в ней быстро затухают, но их «мгновенная» интенсивность не ограничена практически ничем — в плазме «все, что можно, уже пробито». Рецепт применения гигантских электрических полей в плазме — использование разделения электрических зарядов до того, как они успеют сместиться и компенсировать возникшее между ними электрическое поле.
Лазерное ускорение элементарных частиц основано на разделении зарядов в плазме под действием сверхмощных фемтосекундных лазерных импульсов. Фемтосекунда – одна миллиардная миллионной доли секунды, и длина типичного импульса продолжительностью десятки фемтосекунд составляет несколько микрометров.
Электроны гораздо легче протонов и атомных ядер, и быстрее реагируют на электромагнитные поля. Попадая в плазму, лазерный импульс буквально «разбрасывает» электроны со своего пути. Образуется положительно заряженный «пузырь» с избытком ионов, который притягивает разлетевшиеся электроны обратно. За пузырем они сходятся, создавая область очень плотного отрицательного заряда.
Этот пузырь, как и волны заряда за ним, движется по плазме вслед за лазерным импульсом со скоростью, близкой к световой. Электрическое поле между пузырем и его «кильватером» может достигать сотни гигавольт на метр, и электроны, оказавшиеся в пузыре, «катятся» по электрическому полю, отталкиваясь от отрицательного заряда, как сёрферы от океанской волны.
Существует множество схем плазменного ускорения, использующих лазерные импульсы, пучки заряженных частиц и их комбинации. Кильватерные ускорители уже способны разгонять электроны до нескольких гигаэлектронвольт в настольных установках, которые в сотни раз меньше и намного дешевле традиционных линейных ускорителей.
Но плазменное ускорение обладает «встроенными» недостатками. Процесс по своей природе «сверхбыстротечен», а область ускорения обычно не превосходит сантиметров в длину — дальше лазерный импульс в плазме рассеивается. Ускоренные электроны имеют сильный разброс по энергиям и направлениям полета, а для исследований физики элементарных частиц требуется гораздо более точный контроль их параметров.
Совершенствованием лазерного ускорения занялись сотрудники центра BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator Center) Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) во главе с Эриком Эсари (Eric Esarey). Основной установкой их лаборатории является импульсный лазер петаваттной пиковой мощности (один петаватт равен миллиарду мегаватт). В новом пресс-релизе исследователи рассказали о модернизации установок по управлению лучом и завершении строительства второй линии подачи луча, которая использует часть импульса от основного лазера.
Вторая линия станет независимым источником импульсов, параметрами которых можно управлять в широких пределах. Использование импульса одного и того же лазера нужно, чтобы точнее синхронизировать работу импульсов. Запустить два отдельных лазера, соблюдая интервал с фемтосекундной точностью, очень трудно, зато задержкой между двумя частями одного и того же импульса можно управлять гораздо точнее, что и обеспечивает вторая линия.
Таким образом, вместо одного лазерного ускорителя лаборатория теперь располагает двумя, которые можно настраивать комбинировать друг с другом практически любым образом. Модернизация позволяет независимо управлять продолжительностью и длительностью каждого импульса, и интервалом между ними. Кроме того, в обе линии были добавлены зеркала с деформируемой поверхностью, позволяющие точно настраивать фокусировку лазерных импульсов.
Ученые надеются, что модернизация позволит им собрать плазменные ускорители в тандем, а так же построить из них коллайдер. В первом случае задача — подхватить сгусток электронов, вылетающий из одного плазменного канала, и ускорить его во втором канале. При этом параметры импульсов требуется подобрать так, чтобы не допустить рассеяния электронов. Во втором случае электроны будут лететь навстречу друг другу, а контроль траектории «пузырьков» с точностью до фемтосекунд и микрометров не даст их сгусткам промахнуться мимо друг друга в пространстве и времени.
Если эти задачи удастся решить для лазерных ускорителей — со временем они смогут стать компактной альтернативой некоторым разновидностям гигантских коллайдеров.
