Российские и зарубежные ученые заявили о создании пока самого быстрого ускорителя частиц, способного разгонять электроны до сверхвысоких энергий за рекордно короткое время. Его описание представлено в статье в журнале Nature.
«Мы впервые показали, что кильватерное ускорение работает и при использовании пучков протонов. Нам удалось разогнать электроны до 2 гигаэлектронвольт, используя облако плазмы длиной всего в десять метров. Это дает надежду на то, что мы сможем создать односекционные ускорители, способные разгонять частицы до значений порядка ТэВ», — пишут участники коллаборации AWAKE.
На гребне волны
В начале 1980 годов физики нашли потенциальный способ уменьшить размеры современных ускорителей частиц, по площади приближающихся к микрогосударствам. Они выяснили, что частицы можно разгонять при помощи лазера, превращающего небольшие сгустки материи в плазму и выбивающего из нее электроны.
Первые серьезные попытки реализовать эту идею были сделаны не так давно. Пять и семь лет назад российские и американские физики создали «настольные» ускорители, способные разгонять частицы до относительно высоких скоростей и энергий, превышающих один-два мегаэлектронвольт (МэВ).
Как правило, они представляют собой небольшую емкость, в центре которой находится облако из плазмы, похожее по структуре на своеобразный «суп» с фрикадельками. В роли бульона в данном случае выступают небольшие, но подвижные электроны, а кусочков мяса — относительно малоподвижные ионы.
Если по такому облаку ударить пучком электронов или других заряженных частиц, то «бульон» сдвинется, а «фрикадельки» останутся на месте. В результате этого в этой области возникнет очень неоднородное и мощное электрическое поле. Его напряженность на порядки выше того, чего можно достичь на БАК или в других «обычных» ускорителях. И если в это поле попадает электрон или другая частица, то тогда она разгоняется до сверхвысоких энергий за доли секунды.
Физики называют такой способ разгона частиц «кильватерным ускорением» из-за того, что разгоняемые частицы ускоряют свой бег, используя «кильватерные» волны, порождаемые в плазменном «супе» первым пучком электронов.
«Коллайдерная» революция
Алексей Петренко из Института ядерной физики СО РАН в Новосибирске и его коллеги из России и зарубежных стран создали первый рабочий прототип подобного ускорителя, способный решать серьезные задачи, экспериментируя с пучками протонов и облаками плазмы в рамках проекта AWAKE, созданного в ЦЕРН пять лет назад.
Использование пучков протонов в качестве источника кильватерных волн, как объясняют ученые, имеет свои плюсы и минусы. С одной стороны, они обладают гораздо более высокой энергией, благодаря чему частицы будут разгоняться сильнее и быстрее. С другой стороны, ими гораздо сложнее управлять из-за больших размеров подобных пучков, что заставило физиков задуматься о том, как его можно сжать или разбить на части.
Используя компьютерные модели, созданные российскими участниками коллаборации, участники AWAKE смогли разбить пучки протонов, вырабатываемые ускорителем SPS, «сердцем» БАК, на множество маленьких порций, и ввести их в облако из ионов рубидия таким образом, что они порождали кильватерные волны.
Запустив в него пучок электронов низких энергий, ученые проверили, работает ли подобная методика разгона частиц. Реальность превзошла их ожидания – плазменный «серфинг» позволил носителям заряда достичь энергии в 2 ГэВ, что идеально соответствует результатам расчетов Петренко и его коллег.
Дальнейшая оптимизация пучка протонов и того, как устроено облако плазмы, как надеются ученые, позволит им выйти на уровень энергий, сопоставимых с БАК и другими гигантскими ускорителями частиц, уже в ближайшие годы.
Оценили 11 человек
12 кармы