Как я уже писал, сейчас основной инструмент исследований в физике высоких энергий – ускорители. Заглянуть в мир элементарных частиц можно и другими способами, например, исследуя космические лучи, но ускорители позволяют это делать на постоянной и контролируемой основе.
Ускоритель – это сложный инструмент. Сложно разогнать частицы до больших скоростей и энергий, сложно правильно их столкнуть, чтобы заставить их взаимодействовать, сложно собрать и обработать данные о процессах с частицами. Все это порождает действительно циклопические размеры ускорителей и, как следствие, бюджеты на строительство.
Такие размеры проистекают из проблемы ускорения частиц. Работа современных ускорителей основана на взаимодействии заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле в этой схеме обеспечивает само ускорение частиц, а магнитное задает их траекторию. Но обеспечить ускорение частицы до интересных энергий на коротких разгонных дистанциях невозможно по нескольким причинам. Во-первых, причина чисто техническая. Сейчас ученые просто не умеют создавать электрическое поле достаточной напряженности, чтобы разогнать частицу до значимых скоростей на небольшом расстоянии. Поэтому сейчас ускоритель включает в себя либо длинный, в несколько десятков километров, прямой разгонный туннель, либо туннель-кольцо, в котором частица ускоряется на каждом круге. Казалось бы, кольцо может быть действительно компактным, если создать достаточно сильные магнитные поля, чтобы обеспечить частицам нужную траекторию. И вот тут возникают новые проблемы. Помимо сложностей с созданием сильных магнитных полей, заряженные частицы при движении по кольцу испускают свет и тем самым теряют энергию. Это так называемое синхротронное излучение, которое тем больше, чем сильнее заворачивает частица. В какой-то момент потеря энергии на излучение сравнивается с энергией, которая идет на разгон частицы, что можно считать естественным ограничением на размер кольца. С увеличением кольца потери уменьшаются, а частицу удается разогнать до бОльших энергий. В итоге, на сегодняшний день желание достичь действительно высоких энергий просто вынуждает ученых строить циклопические ускорители.
И поэтому ученые думают над альтернативными технологиями ускорения частиц, которые бы позволили снизить издержки на строительство и еще больше увеличить энергии. Ну а почему нет?
Самая очевидная здесь идея – это как-то создать более мощное разгоняющее электрическое поле. И 40 лет тому назад предложили интересную идею, которая позволяет это сделать. Если достаточно интенсивный лазерный импульс распространяется в газе, то газ ионизируется и превращается в неравновесную плазму. При этом лазерный луч расталкивает относительно легкие электроны, оставляя ионы почти неподвижными. В результате позади фронта луча может образоваться «кильватерная волна» плотности заряда в плазме, создающая электрическое поле огромной напряженности. В этой волне имеются фазы с продольным электрическим полем, ускоряющим электроны. Поскольку фазовая скорость продольной волны равна групповой скорости лазерного импульса в плазме, которая лишь немногим меньше скорости света, то бегущие вместе с волной релятивистские электроны могут ускоряться достаточно длительное время, чтобы приобрести действительно значительную энергию. В 2019 году на таком Лазерном Кильватерном Ускорители (Laser WakeField Acceleration) были получены электроны с энергией около 7,8 ГэВ на дистанции всего в 20 см.
И буквально недавно был предложен следующий шаг в развитии этой концепции. Ученые из Лаборатории лазерной энергетики Университета Рочестера предложили новую технологию, задающую форму лазерных импульсов, благодаря чему их пики могут двигаться быстрее скорости света. Чтобы задать нужную форму лазерного импульса, был разработан новый оптический отражатель в виде круглого амфитеатра со «ступенями» в длину волны, который обеспечивает правильную временную задержку между концентрическими кольцами света, получаемыми в результате отражения луча мощного лазера. Дальше получившийся импульс попадает на другой специальный отражатель, направляющий свет в плазму. В то время как обычная линза сфокусировала бы каждое кольцо света на одинаковом расстоянии от линзы, образовав одно яркое пятно света, специальный отражатель фокусирует кольца света на различных расстояниях, существенно расширяя пятно, не меняя при этом фазу импульса.
Математическое моделирование показывает, что такой ускоритель должен давать выигрыш в несколько раз по соотношению энергии/расстояние, достигая величин порядка 1-10 ТэВ/1м.
В любом случае сама возможность построить сопоставимый с БАК по мощности ускоритель в комнате впечатляет.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.
