Лазерный тандем объединит кильватерные ускорители электронов в коллайдер

Традиционные ускорители элементарных частиц не могут воздействовать на них электрическим полем, превосходящим несколько десятков мегавольт на метр. Этот предел является одной из причин гигантских размеров современных ускорителей: при его превышении неизбежно происходит электрический пробой конструкций.

Создание ускоряющих полей в плазме, состоящей из свободных электронов и ионов, способно избежать ограничений, связанных с электрической прочностью. Без поддержки электрические поля в ней быстро затухают, но их «мгновенная» интенсивность не ограничена практически ничем — в плазме «все, что можно, уже пробито». Рецепт применения гигантских электрических полей в плазме — использование разделения электрических зарядов до того, как они успеют сместиться и компенсировать возникшее между ними электрическое поле.

Лазерное ускорение элементарных частиц основано на разделении зарядов в плазме под действием сверхмощных фемтосекундных лазерных импульсов. Фемтосекунда – одна миллиардная миллионной доли секунды, и длина типичного импульса продолжительностью десятки фемтосекунд составляет несколько микрометров.

Симуляция пузырька положительного заряда в плазме под действием луча-драйвера, в отсутствие ускоряемых электронов (слева) и при их вводе (справа). Синим показана плотность электронов в плазме, а оранжевым – интенсивность луча (справа на каждой картинке), и плотность ускоряемых электронов (слева на правой картинке). Графики показывают продольную компоненту электрического поля на оси луча в гигавольтах на метр. / © https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.2639

Электроны гораздо легче протонов и атомных ядер, и быстрее реагируют на электромагнитные поля. Попадая в плазму, лазерный импульс буквально «разбрасывает» электроны со своего пути. Образуется положительно заряженный «пузырь» с избытком ионов, который притягивает разлетевшиеся электроны обратно. За пузырем они сходятся, создавая область очень плотного отрицательного заряда.

Этот пузырь, как и волны заряда за ним, движется по плазме вслед за лазерным импульсом со скоростью, близкой к световой. Электрическое поле между пузырем и его «кильватером» может достигать сотни гигавольт на метр, и электроны, оказавшиеся в пузыре, «катятся» по электрическому полю, отталкиваясь от отрицательного заряда, как сёрферы от океанской волны.

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.

Но плазменное ускорение обладает «встроенными» недостатками. Процесс по своей природе «сверхбыстротечен», а область ускорения обычно не превосходит сантиметров в длину — дальше лазерный импульс в плазме рассеивается. Ускоренные электроны имеют сильный разброс по энергиям и направлениям полета, а для исследований физики элементарных частиц требуется гораздо более точный контроль их параметров.

Слева: деформируемые зеркала, управляющие фокусировкой лазерных импульсов. Справа: вторая линия подачи лазерного луча, построенная в лаборатории BELLA. / © Marilyn Sargent/Berkeley Lab

Совершенствованием лазерного ускорения занялись сотрудники центра BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator Center) Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) во главе с Эриком Эсари (Eric Esarey). Основной установкой их лаборатории является импульсный лазер петаваттной пиковой мощности (один петаватт равен 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 станет независимым источником импульсов, параметрами которых можно управлять в широких пределах. Использование импульса одного и того же лазера нужно, чтобы точнее синхронизировать работу импульсов. Запустить два отдельных лазера, соблюдая интервал с фемтосекундной точностью, очень трудно, зато задержкой между двумя частями одного и того же импульса можно управлять гораздо точнее, что и обеспечивает вторая линия.

Таким образом, вместо одного лазерного ускорителя лаборатория теперь располагает двумя, которые можно настраивать комбинировать друг с другом практически любым образом. Модернизация позволяет независимо управлять продолжительностью и длительностью каждого импульса, и интервалом между ними. Кроме того, в обе линии были добавлены зеркала с деформируемой поверхностью, позволяющие точно настраивать фокусировку лазерных импульсов.

Ученые надеются, что модернизация позволит им собрать плазменные ускорители в тандем, а так же построить из них коллайдер. В первом случае задача — подхватить сгусток электронов, вылетающий из одного плазменного канала, и ускорить его во втором канале. При этом параметры импульсов требуется 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 не даст их сгусткам промахнуться мимо друг друга в пространстве и времени.

Если эти задачи удастся решить для лазерных ускорителей — со временем они смогут стать компактной альтернативой некоторым разновидностям гигантских коллайдеров.