Физики успешно испытали новый способ ускорения частиц

Чем более фундаментальные свойства материи мы хотим исследовать, тем сильнее нам придется разгонять частицы в ускорителе. Традиционно для этого используют сверхмощные электромагнитные поля и для повышения производительности просто увеличивают дистанцию, на которой происходит ускорение. Самый большой линейный ускоритель, до недавнего времени работавший в стэнфордской лаборатории SLAC, при длине 3,2 километра обеспечивал ускорение электронов до энергий в 50 ГэВ (миллиардов электронвольт — особой меры энергии элементарных частиц, при постоянной массе частицы она указывает на ее скорость).

Альтернативная технология «плазменной волны» обещает сократить размеры ускорителей и увеличить энергии частиц на порядки. Для этого в облако плазмы — горячего ионизированного газа — подается мощный «драйверный пучок», который при движении в ней создает расходящуюся волну: на ней, как серфингисты на волне океанской, может разгоняться «вторичный пучок» электронов. К сожалению, лазерный импульс или драйвер из электронов несет недостаточно энергии, и в плазме они быстро рассеиваются. Однако ученым удалось использовать пучок тяжелых протонов, способный создавать волну, которую оценили бы и серфингисты.

Расчеты поведения пучка протонов в плазме проводила группа Константина Лотова из Новосибирского института ядерной физики СО РАН, всего же в экспериментах на базе Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) приняли участие ученые из десятка стран. Коллаборация AWAKE (Advanced Proton-Driven Plasma WaKefield Acceleration Experiment) начала работу пять лет назад и представила результаты в свежем номере журнала Nature.

В опытах использовался пучок протонов, разогнанных Протонным суперсинхротроном (SPS) ЦЕРН до 400 ГэВ. Он подавался в экспериментальную установку, заполненную нагретым и ионизированным с помощью лазера рубидиевым газом, создавая в этой плазме волны: ученые сравнивают их с волнами, которые оставляет за собой корабль на воде. Затем в нее вводился «кильватерный» пучок электронов с энергией всего 0,019 ГэВ. Однако на выходе из системы она подскочила на два порядка — почти до 2 ГэВ.

Стоит заметить, что это происходило на дистанции всего 10 метров: иначе говоря, ускорение с помощью «плазменной волны» достигало 0,2 ГэВ/м. Для сравнения, в том же линейном SLAC ускорение составляло лишь 0,017 ГэВ/м, а ускорители нового поколения, работающие на традиционных электромагнитах, как ожидается, могут достичь 0,1 ГэВ/м. В то же время участники проекта AWAKE нацелены на куда более амбициозную цифру — 1 ГэВ/м, — которая, возможно, позволит увидеть действительно фундаментальные свойства нашего мира.