«Апостериори»: Лазерный ускоритель позволил разогнать электроны выше обычного предела
Новости науки и технологий
Поддержите «Эхо», если вы не в России
Физики впервые экспериментально показали, что с помощью так называемого «летящего фокуса» можно устранить одно из основных ограничений лазерно-плазменных ускорителей. В эксперименте электроны удалось разогнать до энергии почти 400 мегаэлектронвольт – более чем в два раза выше предела, который ожидался для обычной схемы ускорения в тех же условиях.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.
В обычных ускорителях заряженные частицы разгоняются электрическими полями внутри специальных радиочастотных резонаторов. Максимальная напряжённость таких полей ограничена свойствами материалов ускорителя. Поэтому для достижения высоких энергий приходится строить установки длиной в сотни метров или даже километры.
Один из возможных способов сделать ускорители значительно компактнее – использовать плазму. В лазерно-плазменном ускорителе чрезвычайно короткий и мощный лазерный импульс проходит через плазму и вытесняет из неё электроны. В результате за импульсом возникает область разделения зарядов, которую иногда описывают как пузырь. Внутри неё создаётся электрическое поле, напряженность которого может превышать миллиард вольт на сантиметр. Электроны, попавшие в подходящую часть такой структуры, могут двигаться вместе с ней и быстро набирать энергию.
Однако у этого метода существует фундаментальное ограничение. Плазменная волна движется немного медленнее скорости света, поскольку её скорость определяется распространением лазерного импульса в плазме. При этом достаточно энергичные электроны движутся практически со скоростью света и постепенно начинают обгонять ускоряющую волну.
В какой-то момент они выходят из области, где электрическое поле увеличивает их энергию. Этот процесс называется дефазировкой и ограничивает максимальную энергию частиц в лазерно-плазменных ускорителях.
Авторы новой работы использовали другую структуру лазерного импульса – так называемый «летящий фокус». С помощью специальной оптики они создали протяжённую область высокой интенсивности, положение которой перемещалось вдоль плазмы. Скорость движения этого фокуса можно контролировать независимо от обычной групповой скорости лазерного импульса.
Исследователи настроили её таким образом, чтобы плазменная волна двигалась практически со скоростью света в вакууме. Благодаря этому электроны больше не обгоняли ускоряющую область и могли оставаться внутри неё значительно дольше.
Эксперимент проводили с помощью лазерной системы MTW-OPAL в Университете Рочестера. Лазер создавал импульсы продолжительностью около 21 фемтосекунды. Они проходили через газовую ячейку длиной около 7 миллиметров, заполненную смесью водорода и аргона. Максимальная измеренная энергия электронов составила 396 мегаэлектронвольт.
Для обычного лазерно-плазменного ускорения предел, связанный с дефазировкой, в тех же условиях составлял примерно 185 мегаэлектронвольт. Таким образом, электроны удалось разогнать более чем в два раза выше ожидаемого предела.
При этом эффект оказался чувствителен к плотности плазмы. Если она была слишком высокой или слишком низкой, скорость плазменной волны уже не совпадала достаточно точно со скоростью электронов. Кроме того, при некоторых параметрах лазер начинал самофокусироваться в плазме и нарушать структуру ускоряющей области.
Даже при оптимальных условиях эксперимент пока не использовал весь возможный потенциал метода. Расчёты показали, что при идеальном положении электронного сгустка внутри плазменной волны на расстоянии 7 миллиметров его энергия могла бы приблизиться к одному гигаэлектронвольту. Однако в эксперименте электроны часть времени находились в областях с менее сильным ускоряющим полем.
В дальнейшем авторы работы рассчитывают точнее управлять скоростью летящего фокуса и положением электронов внутри плазменной волны.
Главное преимущество метода может проявиться при гораздо больших энергиях. Согласно расчётам исследователей, такая схема потенциально позволяет получить электроны с энергией около 100 гигаэлектронвольт в ускорителе длиной меньше одного метра. Для традиционного лазерно-плазменного ускорения при сопоставимых условиях потребовалась бы длина порядка 13 метров.
Однако эти оценки пока не подтверждены экспериментально. Кроме того, полученные в новой работе электронные пучки по качеству всё ещё уступают лучшим современным лазерно-плазменным ускорителям – в частности, по энергетическому разбросу и расходимости.
Если эти проблемы удастся решить, технология может стать основой для значительно более компактных ускорителей частиц. Такие установки могут использоваться для создания интенсивных источников рентгеновского и гамма-излучения, получения позитронов и мюонов, а также для экспериментов в области физики высоких энергий и сильнополевой квантовой электродинамики.