Новый плазменный ускоритель может генерировать электронные пучки с энергией до 7,8 миллиардов электрон-вольт на 20 сантиметров. Это почти вдвое превышает предыдущий рекорд по энергии, генерируемой ускорением плазмы (установлен в 2014 году).
Чтобы раскрыть тайны Вселенной, важно разработать коллайдер частиц, который может ускорять электроны и позитроны (аналог антивещества электрона) до экстремальных энергий.
С современной технологией ускорители частиц могут достигать энергии 6,5 тераэлектронвольт (ТэВ) на пучок. Машины, однако, очень большие и дорогие (32 километра в длину). Цель состоит в том, чтобы уменьшить их цену и размер, не ставя под угрозу их возможности ускорения.
Теперь исследователи из Центра лазерных ускорителей лаборатории Беркли (BELLA) создали лазерные плазменные ускорители, которые могут генерировать электронные пучки с энергией до 7,8 миллиардов электрон-вольт (ГэВ) в плазме длиной 20 сантиметров. Для этого потребуется 92 метра с использованием традиционных ускорителей.
В 2014 году исследователи из того же института создали электронные пучки до 4,25 ГэВ. На этот раз они почти удвоили предыдущий рекорд по энергии, генерируемой ускорением плазмы.
Что такое плазменный ускоритель?
Плазменный ускоритель — это усовершенствованная машина, которая использует электрические поля, связанные с электронно-плазменными волнами, для ускорения заряженных частиц, таких как электрон, позитроны и ионы.
Структуры ускорения плазмы разрабатываются с использованием пучков энергичных частиц или ультракоротких лазерных импульсов. Эти машины могут генерировать плазменные волны с электрическими полями, которые могут быть в тысячи раз сильнее, чем в традиционных ускорителях.
Техника плазменного ускорения имеет большие перспективы для инноваций компактных и доступных по цене ускорителей для самых разных областей применения, от физики высоких энергий до промышленных и медицинских приложений.
Ускорение электронного пучка до 8 миллиардов электрон-вольт
В этом исследовании исследователи использовали новый вид плазменного волновода, который предотвращает естественное распространение лазерного импульса. Они создали профиль электронной плотности плазменного канала (синий) внутри сапфировой трубки, заполненной газом (серый).
Для контроля плотности они использовали лазерный импульс «нагреватель», который высвобождает небольшое количество плазмы в середине. Комбинация электрического разряда и лазерного импульса длиной 8 наносекунд (желтый, оранжевый и красный) сделала плазменный канал достаточно сильным, чтобы генерировать электронные пучки от 0 до 7,8 миллиарда электрон-вольт на длине ускорителя 20 сантиметров.
Помимо увеличения прироста энергии, уменьшение плотности плазмы может ослабить темновой ток. В следующем исследовании ученые попытаются точно контролировать инжекцию электронов в плазменную волну, чтобы получить исключительное качество пучка. Они также объединят несколько этапов (подряд) для достижения еще более высокой энергии.