Специалисты из Калифорнийского университета в Беркли разработали систему, позволяющую одновременно контролировать два лазерных кильватерных ускорителя. Это устройство предназначено для повышения скорости ускоряемых электронов и последующего столкновения.
Электрическое поле, воздействующее на элементарные частицы в традиционных ускорителях, ограничено несколькими десятками мегавольт на метр. Этот барьер обуславливает большие габариты современных ускорителей, поскольку его превышение приводит к электрическому пробою оборудования.
Создание ускоряющих полей в плазме, образованная свободными электронами и ионами, может преодолеть ограничения, обусловленные электрической прочностью. Без поддержки электрические поля в ней быстро исчезают, однако их первоначальная, кажущаяся мгновенной интенсивность не ограничена никакими практически значимыми факторами — в плазме уже преодолены все возможные барьеры. Чтобы использовать гигантские электрические поля в плазме, необходимо создавать разделение электрических зарядов до того, как они успеют уравновеситься и нейтрализовать возникшее между ними электрическое поле.
Процесс лазерного ускорения элементарных частиц предполагает разделение зарядов в плазме, вызванное воздействием мощнейших фемтосекундных лазерных импульсов. Фемтосекунда равна одной миллиардной миллионной доли секунды, а длина импульса, длительность которого составляет десятки фемтосекунд, обычно достигает нескольких микрометров.
Электроны значительно легче протонов и атомных ядер, а также характеризуются более быстрой реакцией на электромагнитные поля. При взаимодействии лазерного импульса с плазмой электроны отклоняются с его траектории. В результате формируется положительно заряженный «пузырь», состоящий из избытка ионов, который притягивает разлетевшиеся электроны. За пузырем электроны собираются, формируя область с высокой плотностью отрицательного заряда.
Этот пузырь, подобно волне заряда, распространяется по плазме вслед за лазерным импульсом со скоростью, сопоставимой со скоростью света. Электрическое поле, возникающее между пузырем и его «кильватером», может достигать сотен гигавольт на метр, и электроны, находящиеся внутри пузыря, движутся вдоль этого поля, отталкиваясь от отрицательного заряда, аналогично тому, как сёрферы скользят по океанской волне.
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.
Плазменное ускорение имеет присущие ему ограничения. Этот процесс характеризуется чрезвычайно высокой скоростью, а область ускорения, как правило, невелика — обычно не более нескольких сантиметров, поскольку лазерный импульс быстро рассеивается в плазме. Получаемые электроны демонстрируют значительный разброс по энергиям и направлениям, в то время как для изучения физики элементарных частиц необходим более точный контроль над их характеристиками.
Сотрудники центра BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator Center), расположенного в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) и возглавляемые Эриком Эсари (Eric Esarey), ведут работы по усовершенствованию лазерного ускорения. Ключевым оборудованием их лаборатории служит импульсный лазер с пиковой мощностью в петаватт (один петаватт эквивалентен 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 будет функционировать как самостоятельный генератор импульсов, параметры которых можно изменять в широком диапазоне. Для более точной синхронизации работы импульсов используется излучение одного и того же лазера. Создание и запуск двух независимых лазеров с соблюдением интервала в фемтосекунды является сложной задачей, однако управление задержкой между разными частями одного импульса значительно проще, и именно это обеспечивает вторая линия.
Теперь лаборатория оснащена двумя лазерными ускорителями, которые обладают широкими возможностями для настройки и комбинирования. Благодаря модернизации, продолжительность и интервал каждого импульса могут управляться независимо. В обе линии также интегрированы зеркала с деформируемой поверхностью, обеспечивающие точную настройку фокусировки лазерных импульсов.
Ученые рассчитывают, что модернизация позволит объединить плазменные ускорители в тандем и создать на их основе коллайдер. Первоначально необходимо будет улавливать пучок электронов, выходящий из одного плазменного канала, и разгонять его во втором. Для этого потребуется тщательно подбирать параметры импульсов, чтобы исключить рассеяние электронов. В дальнейшем электроны будут направлены на столкновение, а точный контроль траектории «пузырьков» с разрешением до фемтосекунд и микрометров обеспечит их одновременное нахождение в пространстве и времени.
Решение этих задач позволит лазерным ускорителям в перспективе стать более компактной заменой некоторым крупным коллайдерам.