Каждый дюйм Большого адронного коллайдера длиной 17 миль разгонял частицы до энергий, достаточных для открытия бозона Хиггса. Теперь представьте себе ускоритель, который мог бы делать то же самое, скажем, на расстоянии футбольного поля. Или меньше.
Это обещание лазерно-плазменных ускорителей, которые используют лазеры вместо мощных радиочастотных волн для возбуждения электронов на очень коротких расстояниях. Ученые пытались создать эти устройства в течение двух десятилетий, и новое теоретическое исследование предсказывает, что это может быть проще, чем считалось ранее.
Авторы - Карло Бенедетти, Карл Шредер, Эрик Эсари и Вим Лиманс, физики из Центра лазерных ускорителей (BELLA) Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. Их статья «Плазменные кильватерные поля, управляемые некогерентной комбинацией лазерных импульсов: путь к лазерно-плазменным ускорителям высокой средней мощности» опубликована в майском специальном выпуске журнала Physics of Plasmas издательства AIP Publishing.
Если их модели окажутся верными, они могут помочь снизить стоимость исследований в области физики высоких энергий (Большой адронный коллайдер стоит 9 миллиардов долларов), а также многих других промышленных и медицинских применений ускорителей.
Лазерно-плазменные ускорители выбрасывают мощный лазерный луч в плазму, облако несвязанных электронов и ионов.
"Эффект похож на след лодки, мчащейся вниз по озеру. Если бы след был достаточно большим, серфер мог бы оседлать его", - объяснил Лиманс, глава BELLA Center.
Представьте, что плазма - это озеро, а лазер - моторная лодка. Когда лазер пробивает плазму, давление, создаваемое его фотонами, отталкивает электроны с пути. Они скользят по кильватерному следу или кильватерному полю, создаваемому лазером, когда он движется вниз по акселератору», - сказал он.
Быстро движущиеся электроны оставляют позади тяжелые ионы. Разделяясь, они создают гигантские электрические поля, в 100-1000 раз превышающие поля в обычных ускорителях.
Вот как они так быстро ускоряют электроны. Например, Стэнфордскому центру линейных ускорителей требуется две мили, чтобы довести электрон до 50 миллиардов электрон-вольт (ГэВ). Экспериментальный лазерно-плазменный ускоритель Leemans увеличивает электроны до энергии более 1 ГэВ на расстоянии чуть более 1 дюйма.
Для создания кильватерного поля требуется большая мощность лазера. Например, петаваттный (1 квадриллион ватт) лазер BELLA имеет площадь основания 10 х 10 метров. Он вырабатывает в 400 раз больше энергии, чем все электростанции мира вместе взятые, но только в течение 40 фемтосекунд (40 квадриллионных долей секунды).
К сожалению, лазеру БЕЛЛЫ требуется целая секунда, чтобы перезарядиться и отправить второй импульс. Исследования в области физики высоких энергий требуют десятков тысяч импульсов в секунду. Многие другие приложения выиграют от нескольких импульсов в секунду.
Лазер BELLA имеет самую высокую частоту повторения среди всех петаваттных лазеров в мире. Создание более быстрого петаваттного лазера потребует героического инженерного подвига.
Несколько европейских исследователей предложили использовать массив меньших лазеров для создания одного огромного импульса. Поскольку менее мощные лазеры перезаряжаются быстрее, они могут производить сотни или даже тысячи импульсов в секунду и поддерживать кильватерное поле на многие метры.
Препятствие, которое им нужно было преодолеть, заключалось в том, как синхронизировать сотни лазеров, чтобы все они пульсировали с интервалом менее фемтосекунды друг от друга.
Такая точность была бы дорогой и представляла бы серьезные технические проблемы. Но идея объединения лазеров заставила команду Лиманса задуматься.
Что, если луч не идеален? Что, если бы этого было достаточно, чтобы быстро увеличить фотонное давление на электроны? Можем ли мы уйти с ним, задавались они вопросом.
Согласно модели, представленной в «Физике плазмы», они могли бы. Лиманс сравнивает это с раскачиванием качелей.
"Вместо одного большого толчка мы дали бы ему много меньших толчков примерно в одно и то же время. Это не совсем идеально, но колебание на самом деле не имеет значения. Оно усредняет все эти маленькие толчки и идет вверх.."
Мягкий выбор времени сделал бы более крупные и устойчивые ускорители более практичными. Leemans надеется снабдить их новой технологией, основанной на высокоэффективных волоконных лазерах. Мощность, которую предлагают стандартные сварочные лазеры, демонстрирует возможности в несколько кВт, но требуется много работы, чтобы упаковать мощность в ультракороткие импульсы, необходимые для лазерных ускорителей плазмы. В статье предлагается подход, который делает нас на шаг ближе.
Новые ускорители предложат новые возможности физикам, пытающимся понять, как устроена Вселенная. Это может снизить стоимость промышленного использования и сделать высокоэнергетические ускорители более доступными для больниц.
Просто думайте об этом, как о большом, думая о малом.