Эксперименты на мощных ускорителях, где сталкиваются друг с другом заряженные частицы, имеющие скорости, близкие к скорости света, способствовали развитию представлений о строении вещества, фундаментальных силах природы и происхождении Вселенной. В 30-х годах с помощью циклических ускорителей, в которых достигались энергии в несколько миллионов электронвольт (МэВ), моделировались условия в ядрах гигантских звезд, что создавало возможность для лабораторного изучения ядерных реакций.
Сравнительно недавно синхротроны и линейные ускорители, на которых получены энергии в несколько миллиардов электронвольт (ГэВ), позволили исследовать условия во внутренних областях нейтронных звезд и доказать существование антивещества. Современные протонные синхротроны на триллионы электронвольт (ТэВ) позволяют изучать условия во Вселенной, существовавшие в течение первой миллиардной доли секунды с момента ее рождения. С проектированием самого большого ускорителя в мире сверхпроводящего суперколлайдера SSC – ускорительная техника приблизится к пределу практических возможностей.
Однако появилась новая технология - плазменное ускорение частиц, которая может привести к перспективному пути достижения еще больших энергий. Чтобы сверхпроводящий суперколлайдер (стоимость сооружения которого составила 4,4 млрд. долларов) мог ускорять частицы до энергии 40 ТэВ, понадобится кольцо с длиной окружности 87 км. Огромные размеры SSC частично обусловлены тем, что принцип его работы остается таким же, который господствовал в ускорительных устройствах в течение 50 лет: частицы направляются с помощью магнитных полей и ускоряются мощными электрическими полями.
Чтобы, например, построить ускоритель меньших размеров, эквивалентный SSC по мощности, нужно будет увеличить напряженность направляющих и ускоряющих полей. Однако традиционные технологии не могут обеспечить значительное повышение напряженности полей по двум причинам.
- Во-первых, магнитные силы становятся настолько большими, что создающий магнитные поля материал будет разрушаться.
- Во-вторых, энергия, приобретаемая электронами в электрических полях, достигает энергию связи электронов в атоме; это будет приводить к отрыву электронов от ядер в материале опорных конструкций ускорителя.
Именно проблему создания сильных электрических полей можно решить с помощью плазменных ускорителей частиц. В основе работы таких ускорителей положен принцип ускорения частиц электрическими полями, создаваемыми в плазме. Плазма состояние вещества, нагретого до температур, при которых электроны отрываются от своих атомов. Поскольку плазма уже представляет собой вещество в ионизованном состоянии, в плазменных ускорителях не должна происходить электронная диссоциация.
По теоретическим расчетам в плазме могут поддерживаться ускоряющие поля, в несколько тысяч раз превосходящие поля, получаемые по традиционным технологиям. Если удастся создать столь сильные электрические поля в областях значительных размеров, то плазменные ускорители длиной несколько сот метров смогут разгонять частицы до энергий, получение которых планируется на 87-километровом сверхпроводящем суперколлайдере SSC.
Электрические поля для ускорения частиц могут быть созданы в плазме благодаря ее уникальным свойствам. Плазма в целом электро-нейтральна, но поскольку электроны и положительно заряженные ионы отделены друг от друга, при возмущении плазмы могут появляться области с отрицательным зарядом (высокая концентрация электронов) и области с положительным зарядом (высокая концентрация положительных ионов). Такое неравномерное распределение заряда вызывает возникновение электрического поля, направленного от областей с положительным зарядом к областям с отрицательным зарядом.
Электрическое поле «тянет» электроны и ионы друг к другу с одинаковой силой. Но поскольку масса электрона намного меньше массы иона, электроны двигаются к положительно заряженным областям, тогда как ионы остаются практически неподвижными. По мере того как электроны «вытягиваются» из отрицательных областей к положительным, они приобретают скорость и импульс.
Наличие импульса заставляет электроны не только достигать области с положительным зарядом, но и «проскакивать» ее, поэтому они оказываются в области, где электрическое поле меняет свое направление, сначала препятствуя движению электронов, замедляя его, а затем выталкивая их обратно. Этот процесс повторяется, приводя к созданию электронного «маятника». Множество таких электронных маятников, возникающих в результате возмущений в плазме, может генерировать электрическое поле для ускорения заряженных частиц.