FAQ: Лазерно-плазменные ускорители
Исследования строения вещества на все более мелких масштабах требуют увеличения энергии частиц. В связи с этим основная тенденция, характерная для исследований из области физики высоких энергий, состоит в том, что должны создаваться ускорители частиц до энергий. В современных системах, таких как Большой адронный коллайдер, речь идет об энергиях тяжелых протонов порядка одного тераэлектронвольта. Эта энергия и определяет пространственный масштаб и ту массу частиц, которую можно посмотреть. Проникновение все дальше вглубь мироздания, к его глубинным основам непрерывно требует увеличения этой энергии.
1. Предельный темп ускорения
Еще в первой трети ХХ века ученый Энрико Ферми сформулировал, какова максимальная энергия электронов, которая может быть получена в земных условиях. Оказывается, что это электростатическое поле не может быть бесконечно большим, потому что при определенных напряженностях возникает пробой. Также невозможно создать идеальный вакуум, поскольку в любом вакууме есть отдельные частицы, которые будут ионизоваться, ускоряться, что в конце концов приведет к возникновению пробоя. Поэтому существует предельный темп ускорения, который возможен с помощью электростатических ускорителей. Если взять этот темп ускорения, умножить на длину экватора Земли, то получится как раз энергия электронов порядка тераэлектронвольта. Именно Энрико Ферми сформулировал максиму энергии частиц, которая может быть получена. Поэтому крайне важно для современной физики и для будущего ее развития создание новых подходов к ускорению частиц. И оказывается, что использование лазеров большой интенсивности может обеспечить действительно огромный темп ускорения и на значительно меньших пространственных длинах позволить получить огромные энергии. 2. Кильватерная волна Если у нас есть достаточно разреженная плазма, в которой движется электромагнитный импульс с очень большой интенсивностью поля (так называемой релятивистской интенсивностью поля порядка 10–15 ватт на квадратный сантиметр или чуть побольше), то в определенных условиях движение этого импульса подобно тому, как моторная лодка движется по поверхности воды. Когда катер движется по воде, то сзади возникает бурун — не волны, которые расходятся во все стороны, а именно бурун, который бежит за лодкой с ее же скоростью, то есть он не отстает и не догоняет эту лодку. Это так называемая кильватерная волна, известная давно и названная так в силу того, что она возникает за большими кораблями, в кильватере этих кораблей. Она обладает и неприятными особенностями — в частности, она может засасывать другие корабли.
3. Отличие кильватерной волны у лазерного импульса
Оказывается, когда лазерный импульс идет сквозь плазму, сзади него тоже возникает кильватерная волна. Лазерный импульс как бы расталкивает своим электромагнитным полем электроны плазмы. В результате создается область, обедненная отрицательным зарядом, а сзади за этой полостью возникает область, обогащенная отрицательным зарядом. И такая волна электронной плотности и называется кильватерной волной. Она точно так же, как и в случае катера, бежит за лазерным импульсом, лазерный импульс движется в плазме со своей групповой скоростью, а фазовая скорость волны электронной плотности совпадает с групповой скоростью лазерного импульса. Что это означает? Это означает, что сзади импульса формируется достаточно сильный антистатический градиент потенциала. Между областью, обедненной электронами, и областью, обогащенной электронами, есть соответствующий потенциал, который быстро движется в плазме. И если некоторый электрон оказывается захваченным такой кильватерной волной, то он начинает ускоряться. Темп этого ускорения может быть огромным, потому что, в отличие от обычных средств, с которыми мы привыкли иметь дело в повседневной жизни, плазма состоит из электронов и ионов. В ней невозможен пробой. Поэтому поля, которые можно создать в такой плазме, огромны. Темп ускорения может достигать десяти в десятой и десяти в двенадцатой электронвольт на сантиметр. Это означает, что на одном сантиметре плазмы можно получить энергию в один гигаэлектронвольт. На полутора метрах можно уже получать тераэлектронвольты, что на Большом адронном коллайдере получается, если я не ошибаюсь, на 17 километрах. Вот разница масштабов двух подходов к ускорению.
4. Эффекты серфинга Здесь в процессе ускорения есть множество разных интересных эффектов. Возьмем, к примеру, такой спорт, как серфинг. Если у нас есть одиночная огромная волна, на самом ее гребне возникает человек на доске, который дальше скользит вниз по этой доске, ускоряясь, то это будет абсолютная аналогия с тем, что происходит с ускорением электронов. Вот эта огромная волна — это та самая кильватерная волна, а впрыснутый электрон — это человек на доске. Он движется вниз по склону, получая огромное ускорение.
5. Преимущества лазерно-плазменных ускорителей
В настоящий момент уже получены электроны — квазимоноэнергетические пучки с хорошей расходимостью, с достаточно большим зарядом. Их характеристики напрямую можно сравнивать с тем, что получается в линейных ускорителях. Энергии достигают полутора гигаэлектронвольт. Это не очень много, но тем не менее это уже то же самое, что и в источниках от синхротронного излучения, размер кольца которого — порядка сотен метров в диаметре. То есть лазерно-плазменные ускорители в первую очередь значительно дешевле, значительно проще. Самое важное их преимущество — это размер. Такие лазерно-плазменные ускорители можно ставить в научных лабораториях, чтобы ученым не приходилось приезжать и получать какие-то сеансы работы. Кроме того, уже существующие и уже строящиеся современные лазерные проекты позволяют в ближайшей перспективе говорить о тераэлектронвольтах, то есть о том, что на расстояниях порядка 10 метров или меньше можно будет получить за счет нескольких стадий ускорения, но тем не менее можно получить энергии в тераэлектронвольтах. Это энергия электронов, это не энергия протонов, это немного другое, это не совсем Большой адронный коллайдер, но тем не менее это уже энергии, которые, по сути, те же максимально предельные энергии, которые получаются в современных электронных ускорителях, и даже лучше. То есть оказывается, что действительно концепция лазерно-плазменного ускорения выглядит на настоящий момент крайне привлекательной и очевидно. Эта технология имеет огромное будущее и с точки зрения многочисленных приложений, и с точки зрения фундаментальной физики.
Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru
