Электроны в кильватере у протонов
В ЦЕРНе впервые удалось ускорить электроны новым методом – с помощью волны, создаваемой сгустком протонов в плазме.
Ускоритель элементарных частиц, пожалуй, один из главных инструментов современной физики. Но чем глубже проникают исследователи в структуру микромира, тем большие энергии частиц им требуются, тем грандиознее и дороже становятся экспериментальные установки.
С 2013 года в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) ведутся разработки нового метода ускорения частиц волнами, созданными в плазме проходящим через нее сгустком протонов. Новый метод позволит значительно уменьшить размеры будущих ускорителей, а, значит, и затраты на их строительство, или при существующих размерах ускорителей примерно в сто раз увеличить энергию электронных и позитронных пучков. В статье, опубликованной в журнале «Nature», исследователи рассказали, что им впервые удалось этим методом ускорить электроны.
Идея так называемого кильватерного ускорения возникла еще в 1970-е годы. Она заключается в том, что первичный пучок, называемый драйвером, двигаясь сквозь плазму, своим электрическим полем сдвигает легкие электроны, в то время как тяжелые ионы остаются почти неподвижными. Благодаря такому разделению частиц за драйвером образуются волны плотности заряда с огромной напряжённостью электрического поля (до 1011 В/м), которую невозможно создать в экспериментальной установке из-за электрического пробоя.
Эти волны способны разогнать следующие за драйвером в нужной фазе частицы вторичного пучка значительно быстрее, чем традиционные линейные ускорители, использующие электромагнитные волны в высокочастотных резонаторах. Название методу дали по ассоциации с кильватерным следом – возмущением, создаваемым в воде движущимся кораблем.
Раньше в качестве драйвера использовались пучки электронов или мощные лазерные импульсы. Исследователи ЦЕРНа нашли способ использовать для этой цели протонный пучок, в котором в тысячи раз больше энергии, чем в самых лучших электронных и лазерных драйверах. К тому же за протонным драйвером электроны летят в одной длинной плазменной секции, что представляет собой более простую, легче реализуемую на практике конструкцию. Тогда как в случае других драйверов приходится делать несколько небольших секций, для каждой из которых драйвер нужно заменять на «свежий».
В описанном эксперименте электроны с начальной энергией 19 МэВ пролетели в плазме 10 метров и увеличили энергию более чем в 100 раз – до 2 ГэВ. Способность ускорителя разгонять частицы удобно характеризовать величиной, которая называется «темп ускорения» и измеряется в мегаэлектронвольтах на метр (МэВ/м). Она показывает, на сколько увеличивает энергию частица, пролетев в ускорителе 1 метр.
Чем больше темп ускорения, тем короче требуется ускоритель при той же энергии частиц на выходе. В данном случае темп ускорения в среднем составил около 200 МэВ/м. В то время как самый большой линейный коллайдер SLC на высокочастотных резонаторах, работавший в Стэнфорде с 1989 по 1998 год, имел номинальный темп ускорения всего 17 МэВ/м. И это не предел, исследователи надеются в будущем достичь показателя 1000 МэВ/м.
Сам эксперимент проходил следующим образом. Протоны предварительно готовил синхротрон SPS (Super Proton Synchrotron) – один из ускорителей, обеспечивающих протонами Большой адронный коллайдер.
Затем протоны из SPS, имеющие энергию 400 ГэВ, выпускались в так называемую плазменную секцию, заполненную нагретыми до 200°С парами рубидия. Одновременно с этим лазерный импульс выбивал электроны из атомов пара и превращал его в плазму. Летящий сквозь плазму протонный пучок создавал в ней колебания – кильватерные волны. Эти волны и разгоняли электроны, которые впускались в плазму под определенным углом. На другом конце плазменной секции находился магнит, который направлял ускоренные электроны на детектор.
Для работы над новым ускорителем осенью 2013 года в ЦЕРНе была создана коллаборация AWAKE (Advanced proton-driven plasma WAKEfield acceleration experiment). В настоящее время в её работе принимают участие физики десяти стран, в том числе из России. Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера и Новосибирского государственного университета создали теоретическую модель и провели моделирование физических процессов в эксперименте. Они помогли понять, как будет себя вести пучок протонов в плазме, как будет происходить процесс его самомодуляции. На основе этих расчетов были определены параметры и инженерные особенности установки.
Теперь исследователи собираются работать над качеством пучка и над возможными физическими приложениями метода. Новосибирцы попробуют, в частности, ответить на вопрос, до каких энергий можно ускорить частицы? Какой длины должна быть соответствующая плазменная ячейка? Сколько должно быть таких ячеек? Каким должен быть между ними зазор? Это важно и для обоснования следующего этапа проекта, и для планирования будущих экспериментов.
По материалам пресс-релиза Института ядерной физики им. Г.И. Будкера
