Настольный источник ультрарелятивистских позитронных пучков

21.06.2013 Артём
Коржиманов

Американские учёные создали компактную экспериментальную установку, способную генерировать пучки позитронов высокой энергии. Основой установки стал мощный лазер HERCULES, расположенный в Мичиганском университете.

Внешний вид лазерной установки HERCULES. Главным элементом является титан-сапфировый усилитель (красный в левом верхнем углу), с помощью которого лазерные импульсы усиливаются до мощности порядка 1 Петаватта.

При облучении этим лазером газа образуется плазма, прозрачная для излучения. Распространяясь в созданной плазме, лазерный импульс возбуждает плазменные волны, аналогично тому, как корабли возбуждают волны на поверхности воды. Эти плазменные волны так и называют — кильватерными.

Интересно, что кильватерные плазменные волны способны ускорять отдельные электроны. Механизм ускорения похож на тот, за счёт которого приобретают скорость серфингисты, «ловящие» волну. Таким образом, мощные лазеры могут быть использованы как ускорители электронов.

Схема ускорения электронов плазменной кильватерной волной, возбуждаемой лазером. Овалом обведён лазерный импульс, стрелкой показано направление его распространения. Горы и впадины — это плазменная волна, а яркие белые точки — это «оседлавшие» её электроны.

При этом размер такого лазерного ускорителя может быть совсем небольшим — порядка одного лабораторного стола, что значительно меньше, чем размер традиционных ускорителей, представляющих собой трубы длиной в сотни метров и даже несколько километров. Соответственно и цена лазерных ускорителей значительно ниже.

Чтобы получить ещё и позитроны, учёные посылают ускоренный лазером пучок электронов на металлические пластинки, сделанные из меди, олова, свинца или тантала. При взаимодействии электронов с внутриатомными полями этих металлов происходит генерация позитронов.

В экспериментах получают пучки позитронов, перемешанных с исходными электронами и гамма-излучением, также возникающим в результате взаимодействия с металлом. Эти пучки по своему составу напоминают так называемые релятивистские джеты, наблюдающиеся вблизи чёрных дыр и нейтронных звёзд. Таким образом, новые результаты позволяют проводить в наземной лаборатории исследования астрофизических явлений, недоступные для непосредственного изучения в космосе.