Учёные из университета Беркли разработали установку для одновременного управления двумя лазерными кильватерными ускорителями, что даст возможность ускоренным электронам получить дополнительную энергию и столкнуться между собой.
Традиционные ускорители элементарных частиц не могут использовать электрическое поле, превышающее несколько десятков мегавольт на метр, из-за риска пробоя конструкций.
Создание ускоряющих полей в плазмеПлазма, состоящая из свободных электронов и ионов, может обойти ограничения, связанные с… электрической прочностьюВ отсутствие поддержки электромагнитные поля быстро ослабевают, но их кратковременная сила практически не ограничена — в плазме «пробито все, что можно». Применение мощных электрических полей в плазме основано на разделении электрических зарядов до того, как они успеют сдвинуться и уравновесить появившееся электрическое поле.
Заряд разделяется в плазме под воздействием сильных лазерных импульсов длительностью фемтосекунды благодаря сверхмощным лазерным импульсам. Фемтосекунда — это миллиардная доля миллионной доли секунды, а типичный импульс длительностью несколько десятков фемтосекунд имеет размер в несколько микрон.
Электроны легче протонов и ядер атомов, и быстрее реагируют на электромагнитные поля. Входя в плазму, лазерный импульс «разбрасывает» электроны. Образуется положительно заряженный «пузырь» с избытком ионов, который притягивает разлетевшиеся электроны обратно. За пузырем они сходятся, создавая область очень плотного отрицательного заряда.
Пузырь, подобно волнам заряда за ним, движется по плазме вслед за лазерным импульсом со скоростью, близкой к скорости света. Электрическое поле между пузырем и его «кильватером» может достигать сотен гигавольт на метр, и электроны внутри пузыря «катятся» по электрическому полю, отталкиваясь от отрицательного заряда, как сёрферы от океанской волны.
Существует множество Существуют схемы плазменного ускорения, применяющие лазерные импульсы, пучки заряженных частиц и их комбинации. Кильватерные ускорители могут разгонять электроны до нескольких гигаэлектронвольт в настольных установках, которые значительно компактнее и дешевле традиционных линейных ускорителей.
Плазменное ускорение имеет в себе ряд ограничений. По своей сути это сверхбыстрый процесс, а зона ускорения обычно не превышает размеров сантиметров — далее лазерный импульс в плазме рассеивается. Ускоренные электроны обладают большим разбросом энергий и направлений движения, что недостаточно для исследований физики элементарных частиц, которым требуется точный контроль параметров.
Группа сотрудников центра BELLA Национальной лаборатории Лоуренса Беркли под руководством Эрика Эсари занимается совершенствованием лазерного ускорения. Основное оборудование лаборатории — импульсный лазер с пиковой мощностью в петаватты (один петаватт равен миллиарду мегаватт). В новом пресс-релизе исследователи… рассказалиПроводится модернизация установок управления лучем, а также завершается строительство второй линии подачи луча, применяющей часть импульса от главного лазера.
Вторая линия обеспечит независимый источник импульсов с регулируемыми параметрами. Для более точной синхронизации работы импульсов потребуется использовать один лазер. Запуск двух отдельных лазеров с интервалом в фемтосекунды — сложная задача, однако задержкой между двумя частями одного и того же импульса можно управлять с большей точностью, что позволит второй линии реализовать это.
Теперь лаборатория имеет два настраиваемых лазерных ускорителя, которые можно комбинировать по-разному. Модернизация даёт возможность независимо управлять длительностью и частотой каждого импульса, а также интервалом между ними. К обеим линиям добавили зеркала с деформируемой поверхностью для точной настройки фокусировки лазерных импульсов.
Ученые рассчитывают, что модернизация позволит собрать плазменные ускорители в тандем и построить из них коллайдер. В первом случае задача — подхватить сгусток электронов, вылетающий из одного канала, и ускорить его во втором. Параметры импульсов необходимо 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 обеспечит попадание сгустков друг в друга во времени и пространстве.
Успешное решение этих задач для лазерных ускорителей позволит им в будущем стать компактно размещаемыми альтернативами некоторым видам огромных коллайдеров.