Текст уведомления здесь

Стреляли в спину

Как на установке AWAKE добились рекордного темпа ускорения электронов

Международной коллаборации физиков, среди которых есть и представители российских научных институтов, удалось получить на выходе из десятиметрового устройства электроны с энергией 2 гигаэлектронвольта, ранее доступной лишь на установках в разы большего размера. «Чердак», поговорив с физиками, рассказывает, в чем большой секрет маленькой установки.
Добавить в закладки
Комментарии

Группа специалистов из ЦЕРН, среди которых есть сотрудники Института ядерной физики Сибирского отделения РАН, продемонстрировала возможность разгона электронного пучка при помощи кильватерного ускорения. По словам Константина Лотова, профессора Новосибирского государственного университета и главного научного сотрудника ИЯФ СО РАН, «это название появилось из-за аналогии со следом на поверхности воды, который остается за кормой идущего судна. Пучок-драйвер, проходя через плазму, создает в ней волну и таким образом разгоняет электроны, летящие следом. Раньше в качестве драйвера использовались пучки электронов или мощные лазерные импульсы. Мы же нашли способ использовать протонный пучок, в котором в тысячи раз больше энергии, чем в самых лучших электронных и лазерных драйверах. За протонным драйвером электроны летят в одной длинной плазменной секции, и это довольно простая конструкция. Другие же драйверы надо периодически заменять на „свежие“, делать много небольших секций — это гораздо сложнее, поэтому наш вариант ближе к практическому воплощению».

Установка AWAKE в сборе. Частицы перемещаются по металлической трубе, видимой слева; плазменная ячейка, заполненная парами рубидия при температуре 200 градусов Цельсия, расположена на желтых опорах. Черная плита (слева) — оптический стол; установка оснащена вынесенным в отдельную комнату мощным импульсным лазером для ионизации плазмы. Фото: Brice, Maximilien / CERN
Установка AWAKE в сборе. Частицы перемещаются по металлической трубе, видимой слева; плазменная ячейка, заполненная парами рубидия при температуре 200 градусов Цельсия, расположена на желтых опорах. Черная плита (слева) — оптический стол; установка оснащена вынесенным в отдельную комнату мощным импульсным лазером для ионизации плазмы. Фото: Brice, Maximilien / CERN

Лотов является теоретическим координатором проекта AWAKE, Advanced proton-driven plasma WaKefield Acceleration Experiment. Работающие в нем ученые рассчитывают найти новые методы ускорения электронов и добиться еще больших результатов. Если сейчас каждый метр ускорителя добавляет к энергии частиц 200 МэВ, то теоретически кильватерное ускорение позволит набирать до тысячи МэВ на метр, или 1 ГэВ/м.

МэВ, он же мегаэлектронвольт, является мерой энергии частиц и кратной единицей от электронвольта. Электрон приобретает энергию в 1 эВ при перемещении между точками с разницей электрического потенциала в 1 вольт, и это довольно скромная величина. Кванты видимого света имеют энергию чуть выше, тысячи эВ соответствуют рентгеновским лучам, а МэВ уже характеризуют продукты ядерных реакций. Энергии следующих диапазонов, ГэВ и ТэВ («тера-», 1000 ГэВ) относятся к «большой» физике с бозоном Хиггса, экзотическими кварками и материей в недрах нейтронных звезд — это сфера уже не прикладных технологий, а фундаментальных исследований.

БАК, например, оперирует протонными пучками с энергией до 14 ТэВ, которая достигается за счет столкновения двух пучков друг с другом, но рекорд для электронных пучков намного скромнее — всего 209 ГэВ. Это в сто раз больше значений, достигнутых AWAKE, но разница в масштабе электронного ускорителя намного значительнее: значение 209 ГэВ было достигнуто в LEP, ускорителе внутри того огромного тоннеля, где потом смонтировали Большой адронный коллайдер! Десять метров на одну сотую от энергии, которая ранее достигалась в 27-километровом кольце, — таков новый результат ЦЕРН и новосибирских исследователей.

Монтаж плазменной ячейки в тоннеле ускорителя. Обратите внимание на то, что тоннель имеет длину намного больше тех десяти метров, которые занимает ячейка, — по нему доставляются необходимые для кильватерного ускорения протоны от коллайдера SPS. Фото: Brice Maximilien / CERN
Монтаж плазменной ячейки в тоннеле ускорителя. Обратите внимание на то, что тоннель имеет длину намного больше тех десяти метров, которые занимает ячейка, — по нему доставляются необходимые для кильватерного ускорения протоны от коллайдера SPS. Фото: Brice Maximilien / CERN

Когда нужен Большой Брат

Эксперимент AWAKE имеет свои ограничения. Самое важное — пучок протонов, которому электроны «пристраивались в хвост», сам по себе имел энергию 400 ГэВ, то есть компактному электронному ускорителю нужен намного более крупный, сложный и дорогой сосед. Для комплексов, где такой уже есть, это не является принципиальной проблемой, но вот с переносом на иные условия определенно возникнут проблемы.

Коллайдер SPS, который использовался в качестве источника протонов, занимает кольцевой тоннель длиной почти семь километров, и для его работы, в свою очередь, нужны промежуточные ускорители.

На первый взгляд, такое ограничение сводит весь эффект сокращения длины электронного ускорителя на нет, однако Константин Лотов объяснил «Чердаку», что потребность в большом коллайдере неподалеку вовсе не помеха для применения результатов на практике. «Темп ускорения нужен в двух случаях: для уменьшения ускорителя и для увеличения энергии электрона. У нас — второе. Мы не уменьшаем комплекс ускорителей в целом, но зато получаем возможность построить рядом с существующим протонным ускорителем установку, которая разгонит электроны до тех энергий, что нам раньше и не снились».

Иногда перед проведением нового эксперимента физикам необходимо сначала подогнать горнопроходческое оборудование и прокопать несколько новых тоннелей. На этом снимке 2014 года показан один из этапов подготовки экспериментальной площадки под проект AWAKE; ускорители ЦЕРН спрятаны под землей, где и места больше, и защиту от облучения при работе организовать проще. Фото: Brice, Maximilien / CERN
Иногда перед проведением нового эксперимента физикам необходимо сначала подогнать горнопроходческое оборудование и прокопать несколько новых тоннелей. На этом снимке 2014 года показан один из этапов подготовки экспериментальной площадки под проект AWAKE; ускорители ЦЕРН спрятаны под землей, где и места больше, и защиту от облучения при работе организовать проще. Фото: Brice, Maximilien / CERN

Использование идеи кильватерного ускорения с протонным пучком (как в проекте AWAKE) требует большого ускорителя, но зато открывает новые возможности для физиков-экспериментаторов, которым нужны электроны с как можно большей энергией. А тот же принцип кильватерного ускорения (но вслед за лазерными импульсами) может преобразить уже не столько научные исследования, сколько прикладные установки.

Ускорители заряженных частиц — это не просто научные приборы для исследования строения материи. Абсолютное большинство ускорителей — а их на Земле сейчас более тридцати тысяч — применяются в медицине и промышленности, с их помощью обрабатывают разные материалы, ими прицельно удаляют раковые опухоли и с их помощью синтезируют короткоживущие радиоактивные вещества (как правило, опять-таки для медицинских целей). Во всех этих случаях нужна не столь высокая энергия (гигаэлектронвольт — уже обычно слишком много), сколько компактность, простота в обслуживании и невысокая стоимость. И решающую роль в достижении этих качеств может сыграть уже не плазменное, а лазерное кильватерное ускорение. Разгон электронов протонами от большого коллайдера нужен фундаментальной науке. Она-то сегодня и празднует успех команды AWAKE.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Пять уверенных прогнозов

Технологии беспилотного транспорта в скором будущем изменят быт и бизнес

В России объявлен старт технологических конкурсов Up Great — русского аналога Darpa Grand Challenge, в рамках которого инженерные команды посоревнуются в создании беспилотного автомобиля для русской зимы. По прогнозу РВК и Frost & Sullivan, к 2025 году беспилотники займут 40% мирового рынка легковых машин.
Добавить в закладки
Комментарии

Взрывной рост технологий автономного транспорта приведет к созданию новых продуктов и сегментов бизнеса. Они обещают изменить жизнь людей так же, как в начале ХХ века ее изменило появление автомобиля. Организаторы Up Great выбрали пять «вещей из будущего», которые появятся в результате преодоления технологического барьера, и поделились ими с «Чердаком».

В салоне беспилотного автомобиля на трассе. Автор: Metamorworks / Shutterstock

В салоне беспилотного автомобиля на трассе. Автор: Metamorworks / Shutterstock

Автономный общественный транспорт без водителя

Автоматизация вождения приведет к созданию инновационных продуктов и решений в различных сферах. Одна из них — автономные такси. Благодаря совершенствованию беспилотных технологий они могут набрать популярность уже в ближайшие годы. [ ... ]

Читать полностью

Изобретай за призовые

Как проходят технологические конкурсы и зачем они нужны

Многие изобретения и технологии появлялись на свет не просто потому, что какому-то инженеру пришла в голову замечательная идея. Зачастую, для того чтобы пробудить интерес ученых и изобретателей к решению какой-то проблемы, им необходимо что-то посулить взамен. Так много лет назад появились технологические конкурсы. Какими они были и бывают до сих пор, кто в них участвует и что получается на выходе — в обзоре организаторов одного из таких конкурсов, Up Great.
Добавить в закладки
Комментарии

От парусной навигации до космических кораблей

Одним из первых технологических соревнований стал «Конкурс Долготы», объявленный Британской академией наук в начале XVIII века. Его суть заключалась в необходимости решить проблему точного определения долготы во время длительных морских путешествий.

Победителем стал часовщик Джон Гаррисон: он предложил использовать в навигации хитрое устройство собственной сборки. Сегодня это известный всему миру хронометр. За прошедшие века конструкция прибора Гаррисона практически не изменилась — совершенствовались лишь технологии изготовления и материалы. Сам английский часовщик, неожиданно совершивший технический прорыв, получил не только славу, но и неплохие для своего времени премиальные.

Еще один пример инженерных состязаний — «Приз Ортега» с призовым фондом 25 тысяч долларов. Его целью было совершение первого в истории беспосадочного перелета через Атлантику. Конкурс выиграл молодой Чарльз Линдберг. В 1927 году на сконструированном винтовом самолете «Дух Сент-Луиса» он совершил первый трансатлантический перелет из Нью-Йорка в Париж. Тем самым заработал денег и дал новый толчок развитию самолетостроения в США. [ ... ]

Читать полностью

Как магия викингов оказалась физикой

Считалось, что «солнечный камень» из скандинавских саг — это просто мифический предмет. Но он существует — и работает

Викинги видели солнце сквозь облака с помощью описанного в сагах солнечного камня. С его помощью они прокладывали путь через океан. Как именно это им удавалось, ученые не могли разобраться несколько десятилетий. Путь исследователей к разгадке секрета солнечного камня оказался не менее извилистым, чем путь викингов к Гренландии. Зато теперь каждый может за несколько минут соорудить древний навигационный девайс.
Добавить в закладки
Комментарии

Из меди, из дуба грудь

Насколько викинги были хороши в море, поможет понять такой пример. Римляне, столетиями державшие в своей власти почти весь цивилизованный мир, боялись плавать в открытом море. Гораций выразил ужас своего народа перед самой идеей мореплавания в знаменитых стихах:

«Знать, из дуба, из меди грудь [ ... ]

Читать полностью