Спасибо, что вы с нами!

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

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

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

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