Используя один из самых мощных лазеров на земном шаре, ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли американского Министерства энергетики ускорили субатомные частицы до самого высокого значения скорости-энергии, зарегистрированного когда-либо для компактного ускорителя частиц. Ученые использовали специализированный петаваттный лазер и облако газа из заряженных частиц, плазму, для создания нового компактного лазерно-плазменного ускорителя, ускорителя частиц нового класса, который, помещается на обычном рабочем столе и который, как надеются ученые, сможет когда-нибудь вытеснить традиционные ускорители, длина которых исчисляется сотнями метров и километрами.
Ускорение частиц, электронов в данном случае, осуществлялось в объеме плазменной трубы, длиной всего в девять сантиметров. На выходе скорость электронов соответствовала энергии 4.25 ГэВ (гигаэлектронвольт). Ускорение до столь высокой энергии на столь малом расстоянии указывает на уровень ускорения (энергетический градиент) в 1000 раз превышающий аналогичный показатель у традиционных ускорителей частиц, и, помимо этого данный показатель является абсолютным мировым рекордом для лазерно-плазменных ускорителей частиц.
«Получение такого высокого результата требует беспрецедентного уровня точности контроля лазера и плазмы» — рассказывает доктор Вим Лимэнс (Dr. Wim Leemans), директор отдела Технологий ускорения и прикладной физики (Accelerator Technology and Applied Physics Division) лаборатории Лоуренса.
Традиционные ускорители частиц, такие, как Большой Адронный Коллайдер CERN, диаметр окружности которого составляет 27 километров, ускоряют частицы за счет модуляции электрических и магнитных полей, наполняющих объем туннеля ускорителя. Согласно имеющимся расчетам, такая технология ускорения частиц может обеспечить темп ускорения на уровне 100 МэВ на метр, при попытках более скоростного разгона элементы ускорителя попросту могут не выдержать увеличившейся механической нагрузки.
В лазерно-плазменных ускорителях используется совершенно иной подход. Импульс лазерного света вводится в объем короткой полой трубки, которая заполнена ионизированной плазмой. Свет лазера создает в объеме плазмы волны, в ловушку которых попадают свободные электроны. Двигаясь вместе с этой волной, электроны получают ее энергию и разгоняются до высоких скоростей. Этот процесс весьма напоминает способ, которым серфингисты получают необходимую им для движения энергию от волны.
Рекордный показатель энергии разгона был получен при помощи лазера BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator), одного из самых мощных лазеров в мире на сегодняшний день. Лазер BELLA, который начал работать на полную мощность только в прошлом году, производит импульсы света, в которых заключена мощность в квадрильон ватт (петаватт). Помимо столь высокого показателя энергии луча лазер BELLA имеет одну из самых совершенных систем управления, которая обеспечивает чрезвычайно высокую точность управления работой лазера.
«Мы попадаем лучом этого лазера с расстояния 14 метров в отверстие, диаметр которого равен 500 микронам» — рассказывает доктор Лимэнс, — «Луч лазера BELLA обладает очень высокой стабильностью всех его характеристик, что позволило использовать его для накачки лазерно-плазменного ускорителя. Такого рекордного показателя скорости разгона частиц было бы невозможно достичь, используя любой другой лазер, пусть и сопоставимой с лазером BELLA мощности».
Но ученые совершенно не собираются останавливаться на достигнутых результатах. В более дальней перспективе группа доктора Лимэнса нацелилась на преодоление планки показателя уровня энергии разгона электронов в 10 ГэВ. Но для достижения такого ученым потребуется абсолютно новый уровень контроля не только за светом лазера, но и над равномерностью распределения плотности плазмы в трубке ускорителя. Другими словами, ученым потребуется создать в плазме что-то типа туннеля для импульса света, который будет иметь необходимую форму и в котором плазменные волны, несущие разгоняемые электроны, смогут двигаться с более высокой скоростью.
