Учёные повысили эффективность плазменного ускорителя, увеличив плотность пучков

Традиционные методы ускорения частиц до высоких энергий практически уперлись в потолок своих возможностей. Создание ускорителей следующего поколения требует разработки принципиально новых подходов. Одной из наиболее перспективных альтернатив является плазменное ускорение. В свежей работе, опубликованной в журнале Nature, сотрудники Стэнфордского линейного ускорителя SLAC сообщают, что им удалось значительно повысить эффективность плазменных ускорителей, увеличив число ускоряемых частиц.

SLAC с высоты птичьего полёта.
SLAC с высоты птичьего полёта.

Самым мощным инструментом современной физики элементарных частиц является Большой адронный коллайдер (LHC). Эта монструозная машина стоимостью в несколько миллиардов долларов уже позволила сделать нам ряд открытий, главным из которых, безусловно, является бозон Хиггса. Однако и у LHC есть свои пределы. Рано или поздно физики исследует всё, что только можно в этих пределах, но могут так и не найти ответы на многие вопросы. Поэтому уже сейчас учёные задумываются о том, как будет выглядеть ускоритель следующего поколения. На данный момент этот вопрос открыт, фаворитом, видимо, является Международный линейный электрон-позитронный коллайдер ILC. Не исключено, что помимо традиционного ускорителя он будет содержать и участок новой технологии — так называемого плазменного ускорителя. Во всяком случае, именно в этом направлении работает группа сотрудников Стэнфордского линейного ускорителя SLAC.

Проблема с традиционными ускорителями заключается в том, что на настоящем этапе их размеры должны быть поистине огромными, чтобы удовлетворить требованиям учёных. Это связано с тем, что существует ограничение сверху на те поля, которые ускоряют в них частицы. Если поле увеличить, то начнётся разрушение самих устройств, создающих эти поля. Именно по этой причине размеры и стоимость Большого адронного коллайдера столь велики.

Однако есть альтернативный путь: использовать в качестве ускорителя плазму. Плазма уже представляет собой горячий ионизированный газ, и в ней можно создавать электрические поля практически произвольной величины. Уже довольно давно был предложен эффективный способ создания таких полей. Известный как плазменное кильватерное ускорение этот способ заключается в возбуждении в плазме волны при помощи того или иного «драйвера». В качестве такого драйвера часто используют короткий и мощный лазерный импульс. Однако драйвером может быть и пучок релятивистских электронов, или даже протонов, хотя в последнем случае возникают дополнительные сложности.

Именно возможностью ускорять электронный пучок плазменной волной, созданной другим электронным пучком, и занимаются сотрудники SLAC. Конечно, пучок-«драйвер» предварительно должен быть ускорен до больших энергий, именно для этого экспериментаторам и нужен линейный ускоритель, но в плазме можно, например, удвоить энергию электронов в ускоряемом пучке, если он идентичен пучку-драйверу. Такой эксперимент уже проводился на SLAC несколько лет назад. Учёным тогда удалось практически удвоить энергию электронов, увеличив её c 42 до 85 ГэВ.

Кратко механизм плазменного ускорения электронов можно описать следующим образом (см. также рисунок ниже). Драйвер, распространяясь в плазме, своим электрическим полем выводит электроны плазмы из состояния равновесия. В результате позади драйвера возбуждается электронная плазменная волна, бегущая с той же скоростью, что и драйвер. Этот процесс в чём-то аналогичен возбуждению волн на поверхности воды кораблём или моторной лодкой. Поэтому такие плазменные волны и получили название кильватерных. Поскольку в плазменной волне имеются сгущения и разрежения электронной плотности, то есть области, в которых электронов чуть больше или чуть меньше чем фоновых ионов, то в ней имеется также и переменное продольное электрическое поле, создаваемое нескомпенсированными зарядами. Причём, это поле также бежит вслед за драйвером со скоростью плазменной волны. В некоторых областях (их ещё называют фазами) продольное поле является ускоряющим для электронов, а в некоторых — тормозящим. Теперь, если у вас имеется пучок релятивистских электронов небольшого размера, так чтобы он полностью поместился в область ускоряющего поля, то попав в такую область (конечно, если он летит в том же направлении, что и драйвер), этот пучок так и будет в ней лететь, поскольку и скорость драйвера, и скорость волны, и скорость ускоряемого пучка лишь незначительно меньше скорости света. Таким образом будет осуществляться непрерывное ускорение электронов, попавших в ускоряющую фазу поля, до тех пор, пока они, набрав энергию, не обгонят её.

Схема плазменного кильватерного ускорения. Сверху — при отсутствии пучка ускоряемых электронов, снизу — при его наличии (Trailing bunch). Оттенками синего передана плотность электронов в плазме. Кильватерная волна (Plasma wake) возбуждается электронным пучком — драйвером (Drive bunch), распространяющимся слева направо. Красной линией показано продольное электрическое поле на оси пучка, тёмно-синим пунктиром показано распределение плотности электронов там же.
Схема плазменного кильватерного ускорения. Сверху — при отсутствии пучка ускоряемых электронов, снизу — при его наличии (Trailing bunch). Оттенками синего передана плотность электронов в плазме. Кильватерная волна (Plasma wake) возбуждается электронным пучком — драйвером (Drive bunch), распространяющимся слева направо. Красной линией показано продольное электрическое поле на оси пучка, тёмно-синим пунктиром показано распределение плотности электронов там же.

Очевидная сложность описанной схемы заключается в её относительно невысокой эффективности. Большая часть энергии драйвера тратится впустую на возбуждение кильватерной волны и не передаётся ускоряемому пучку. Именно на этой проблеме сконцентрировались экспериментаторы в обсуждаемой работе. Для того чтобы увеличить эффективность, они прибегли к простому методу: стали увеличивать количество электронов в ускоряемом пучке. Действительно, ускорение отдельного электрона практически не зависит от наличия других его собратьев, поэтому увеличив их число, можно увеличить и полное количество энергии, переданное пучку. Конечно, делать так до бесконечности нельзя. Рано или поздно пучок станет слишком плотным, чтобы можно было пренебречь взаимодействием частиц в нём между собой, пучок начнёт распадаться и разрушать ускоряющую волну. Именно эту границу и искали в своих экспериментах сотрудники SLAC.

В результате им удалось получить в серии так называемых выстрелов, то есть единичных экспериментов, среднюю эффективность равную 17,7 %, а в некоторых выстрелах эффективность превышала 30 %. При этом электроны в пучке ускорялись с 20,35 ГэВ до в среднем 21,9–22,0 ГэВ, однако одновременно значительно увеличивалась степень их разброса по энергиям: некоторые электроны в конце ускорения имели энергию даже меньше, чем в начале. Кроме того, многие электроны значительно отставали, не попадая в так называемое «ядро» ускоренного пучка. Энергия, переданная этим электронам, в итоге не учитывалась при подсчёте эффективности. Несмотря на эти проблемы, разброс энергии электронов в «ядре» всё-таки был приемлемым и не превышал в среднем 2 %, а в лучших выстрелах был на уровне 0,7 %.

Распределение электронов по энергиям в конце ускорения в различных выстрелах. По вертикали отложен условный номер выстрела, отсортированных по полученной эффективности, по горизонтали — энергия электронов. Изначально электроны имели узкий спектр вблизи 20,35 ГэВ. Чёрной линией изображена «полная эффективность» ускорения, то есть количество энергии, переданной всем ускоряемым электронам. Красной линией изображена «эффективность», вычисленная по количеству энергии, переданной только электронам, попавшим в «ядро» ускоренного пучка электронов. Эта характеристика более адекватна с точки зрения эксперимента, потому что энергия, переданная электронам, не попавшим в итоге в «ядро» и отставшим, следует считать потерянной.
Распределение электронов по энергиям в конце ускорения в различных выстрелах. По вертикали отложен условный номер выстрела, отсортированных по полученной эффективности, по горизонтали — энергия электронов. Изначально электроны имели узкий спектр вблизи 20,35 ГэВ. Чёрной линией изображена «полная эффективность» ускорения, то есть количество энергии, переданной всем ускоряемым электронам. Красной линией изображена «эффективность», вычисленная по количеству энергии, переданной только электронам, попавшим в «ядро» ускоренного пучка электронов. Эта характеристика более адекватна с точки зрения эксперимента, потому что энергия, переданная электронам, не попавшим в итоге в «ядро» и отставшим, следует считать потерянной.

Ну и чтобы наглядно представить себе главное преимущество плазменного ускорителя, отметим, что длина плазменного слоя, в котором происходило ускорение, составляла около 36 см. При том что традиционным методам для увеличения энергии электронов на 1,6 ГэВ требуется около 200 метров.


Это авторская версия статьи, опубликованной на сайте «Элементы».

comments powered by Disqus