Когда речь заходит об мощнейших ускорителях частиц, на ум сразу приходят такие сооружения-монстры, как Большой Адронный Коллайдер (БАК). Не сильно выделяется из общего ряда и Главный линейный ускоритель Национальной лаборатории линейных ускорителей (SLAC National Accelerator Laboratory), длина которого превышает три километра и сооружение которого можно увидеть не только с высоты «птичьего полета», но и даже из космоса. Оказывается, что для того, чтобы получить то же самое, что можно получить с помощью больших ускорителей, не обязательно возводить монстрообразные сооружения, обходящиеся во многие миллиарды долларов. Схожих результатов можно добиться и с менее габаритной техникой, что наглядно продемонстрировали ученые из лаборатории SLAC при помощи компактного ускорителя принципиально нового типа, длина рабочей зоны которого составляет всего 36 сантиметров.
Созданный учеными новый экспериментальный ускоритель представляет собой плазменно-волновой ускоритель (plasma wakefield accelerator), над технологиями которого работы ведутся уже не один десяток лет. Суть идеи заключается в том, что для того, чтобы разогнать электроны почти до скорости света в ускорителе используется движение волны горячей плазмы, от которой электроны получают энергию. И как при помощи других ускорителей, так и с помощью нового компактного плазменного ускорителя можно будет проводить массу всевозможных экспериментов, исследуя самые крошечные частицы материи Вселенной и проверяя фундаментальные законы физики.
За счет уникального принципа действия плазменный ускоритель потребляет меньше энергии и занимает минимум в 100 раз меньшее пространство, нежели обычные укорители сопоставимой мощности. А если взять плазменный и обычный ускоритель одинаковых габаритных размеров и с сопоставимым уровнем потребляемой энергии, то плазменный ускоритель будет приблизительно в 500 раз мощнее обычного. «Мы постоянно занимаемся поиском новых технологий, которые способны продвинуть вперед область физических исследований» — рассказывает Марк Хоган (Mark Hogan), ученый из лаборатории SLAC, — «При этом, мы делаем все с оглядкой на практичность и доступность разрабатываемых технологий, что должно обеспечить их широкое распространение в ближайшем будущем».
Принцип действия плазменного ускоритель кардинально отличается от принципов действия обычных ускорителей, в которых электроны разгоняются за счет энергии магнитного поля. Весь процесс ускорения начинается с того, что луч электронов направляется в рабочую камеру, заполненную облаком горячей плазмы из ионов лития. Это приводит к тому, что в плазме возникает необычайно мощная и быстрая волна. Электроны второго луча, направленного в камеру вслед на первым, «садятся» на волну плазмы и движутся вместе с ней, подобно серфингистам, катающимся на волнах. Эти электроны испытывают на себе влияние сильного электрического поля, генерируемого волной, от которого они получают достаточно большое количество энергии за очень короткий промежуток времени.
Технологии плазменного ускорения предстоит еще проделать большой путь совершенствования, прежде чем такие компактные ускорители смогут переложить на свои плечи работу своих огромных собратьев. Но уже и сейчас эта технология демонстрирует весьма впечатляющие результаты, ученым удалось получить на выходе 36-сантиметрового ускорителя луч электронов, разогнанных до энергии 1.6 миллиарда электронвольт. «Это вполне сопоставимо с лучом электронов, вырабатываемым нашим большим ускорителем» — рассказывает Марк Хоган.
Реализованная технология плазменного ускорения позволяет передать электронам в среднем 18 процентов энергии плазменной волны. И это очень высокий показатель эффективности, к которому даже близко не удавалось приблизиться в более ранних экспериментах, проводимых другими группами ученых.
Однако Марку Хогану и его коллегам еще есть чем заняться в ближайшем будущем. Они собираются выяснить, каким образом можно будет увеличить еще больше эффективность работы плазменного ускорителя, получив на его выходе более плотный луч из электронов, двигающихся еще с большей скоростью. Предполагается, что будут созданы еще несколько образцов экспериментальных плазменных ускорителей, характеристики которых будут улучшаться от раза к разу, и так до тех пор, когда достаточно компактное устройство не станет способно заменить собой огромный линейный ускоритель. Кроме этого, ученые уже работают над технологией, которая при помощи волны плазмы будет способна ускорять не только электроны, но и позитроны, аналог электронов из мира антиматерии.
