http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=12298648-ff7b-495a-ba6c-3160ea98ffef&print=1&p rint=1© 2024 Российская академия наук
МОСКВА, 29 августа – РИА Новости. Российские и зарубежные ученые заявили о создании пока самого быстрого ускорителя частиц, способного разгонять электроны до сверхвысоких энергий за рекордно короткое время. Его описание представлено в статье в журнале Nature.
"Мы впервые показали, что кильватерное ускорение работает и при использовании пучков протонов. Нам удалось разогнать электроны до 2 гигаэлектронвольт, используя облако плазмы длиной всего в десять метров. Это дает надежду на то, что мы сможем создать односекционные ускорители, способные разгонять частицы до значений порядка ТэВ", — пишут участники коллаборации AWAKE.
На гребне волны
В начале 1980 годов физики нашли потенциальный способ уменьшить размеры современных ускорителей частиц, по площади приближающихся к микрогосударствам. Они выяснили, что частицы можно разгонять при помощи лазера, превращающего небольшие сгустки материи в плазму и выбивающего из нее электроны.
Первые серьезные попытки реализовать эту идею были сделаны не так давно. Пять и семь лет назад российские и американские физики создали "настольные" ускорители, способные разгонять частицы до относительно высоких скоростей и энергий, превышающих один-два мегаэлектронвольт (МэВ).
Как правило, они представляют собой небольшую емкость, в центре которой находится облако из плазмы, похожее по структуре на своеобразный "суп" с фрикадельками. В роли бульона в данном случае выступают небольшие, но подвижные электроны, а кусочков мяса — относительно малоподвижные ионы.
Если по такому облаку ударить пучком электронов или других заряженных частиц, то "бульон" сдвинется, а "фрикадельки" останутся на месте. В результате этого в этой области возникнет очень неоднородное и мощное электрическое поле. Его напряженность на порядки выше того, чего можно достичь на БАК или в других "обычных" ускорителях. И если в это поле попадает электрон или другая частица, то тогда она разгоняется до сверхвысоких энергий за доли секунды.
Физики называют такой способ разгона частиц "кильватерным ускорением" из-за того, что разгоняемые частицы ускоряют свой бег, используя "кильватерные" волны, порождаемые в плазменном "супе" первым пучком электронов.
"Коллайдерная" революция
Алексей Петренко из Института ядерной физики СО РАН в Новосибирске и его коллеги из России и зарубежных стран создали первый рабочий прототип подобного ускорителя, способный решать серьезные задачи, экспериментируя с пучками протонов и облаками плазмы в рамках проекта AWAKE, созданного в ЦЕРН пять лет назад.
Использование пучков протонов в качестве источника кильватерных волн, как объясняют ученые, имеет свои плюсы и минусы. С одной стороны, они обладают гораздо более высокой энергией, благодаря чему частицы будут разгоняться сильнее и быстрее. С другой стороны, ими гораздо сложнее управлять из-за больших размеров подобных пучков, что заставило физиков задуматься о том, как его можно сжать или разбить на части.
Схема работы коллайдера AWAKE
Используя компьютерные модели, созданные российскими участниками коллаборации, участники AWAKE смогли разбить пучки протонов, вырабатываемые ускорителем SPS, "сердцем" БАК, на множество маленьких порций, и ввести их в облако из ионов рубидия таким образом, что они порождали кильватерные волны.
Опустив в него пучок электронов низких энергий, ученые проверили, работает ли подобная методика разгона частиц. Реальность превзошла их ожидания – плазменный "серфинг" позволил носителям заряда достичь энергии в 2 ГэВ, что идеально соответствует результатам расчетов Петренко и его коллег.
Дальнейшая оптимизация пучка протонов и того, как устроено облако плазмы, как надеются ученые, позволит им выйти на уровень энергий, сопоставимых с БАК и другими гигантскими ускорителями частиц, уже в ближайшие годы.