Настольный ускоритель элементарных частиц открывает новую страницу в истории науки

В университете штата Техас в Остине создан ускоритель элементарных частиц, умещающийся на лабораторном столе. По сравнению с аналогами линейного типа, его габариты удалось сократить примерно в десять тысяч раз.

В ходе первого теста около полумиллиарда электронов были разогнаны до энергии порядка 2 ГэВ на дистанции пробега всего в дюйм. Ранее такой показатель энергии пучка достигался только в дорогостоящих установках длиной в сотни метров. Конечно, это не Большой адронный и не Международный линейный коллайдеры, но для многих практических приложений их колоссальная мощь и широта выбора типа частиц не требуются.

В дальнейшем на базе этого ускорителя планируется разработать настольный рентгеновский лазер на свободных электронах (X-ray Free-Electron Laser – XFEL). Такие установки пока есть или только строятся в крупнейших исследовательских центрах. Например, общая протяжённость тоннелей создаваемого в центре DESY (Гамбург) XFEL составит около шести километров.

Один из самых компактных рентгеновских лазеров на свободных электронах — SACLA (фото: RIKEN)

Химики и биологи в порядке международного сотрудничества занимают очередь к таким установка на месяцы и годы вперёд, чтобы изучить различные процессы на молекулярном уровне.

Сложность в том, что большинство из них протекает за доли секунды, поэтому при других методах наблюдения банально не хватает экспозиции. С менее мощными источниками света (в широком смысле) удаётся обнаружить только конечные продукты реакции и лишь по косвенным данным выносить предположения о характере протекания промежуточных стадий.

Рентгеновский лазер на свободных электронах обладает достаточной светимостью, чтобы зафиксировать все стадии быстро протекающих реакций с фемтосекундной точностью. Появление такого инструмента в компактном исполнении окажет огромное влияние на развитие многих современных наук, включая молекулярную биологию.

Для создания настольного ускорителя с большей энергией пучка или компактного XFEL требуется решить практически один и тот же комплекс технических задач. Поэтому здесь одним выстрелом можно убить двух довольно крупных зайцев.

В установке, созданной под руководством профессора физики Майка Даунера (Mike Downer), генерация быстрых электронов происходит за счёт метода, известного как лазерно-плазменное ускорение.

В двух словах он сводится к созданию краткого, но интенсивного лазерного импульса, направленного в облако газа заданной плотности. Точно рассчитанной величиной импульса лазера газ ионизируется, переходя в состояние плазмы. При этом возникают неоднородности в её структуре: свободные электроны отделяются от ионного фона и ускоряются вдоль направления движения лазерного луча.

Устройство камеры ускорителя. Лазерный импульс попадает справа, ионизируя газ в центре камеры. Кильватерное ускорение электронов происходит на расстоянии около дюйма (фото: The University of Texas at Austin)

Авторы исследования поясняют этот процесс на примере аналогии с каплями воды. «Представьте, что на поверхность озера бросили моторную лодку с включённым двигателем, – пишет Даунер, – Сначала вода вспенится у винта, и отдельные капли разгонятся до высоких скоростей. Затем пойдёт волна, увлекая за собой их большую часть. Дойдя до берега, они всё ещё будут обладать значительной энергией. Примерно это и происходит в нашей установке. Роль лодочного мотора выполняет лазер, а поверхность озера подобна газу, в котором импульс вызывает перечисленные изменения». Короткий лазерный импульс порождает в плазме волны плотности заряда. В этих кильватерных плазменных волнах и происходит ускорение электронов.

Метод лазерно-плазменного ускорения электронов был впервые предложен в конце семидесятых физиками Тошики Таджимой и Джоном Доусоном. У нас это направление развивалось преимущественно в Институте физических проблем им. П.Л. Капицы Российской академии наук.

Первые опыты начались в конце восьмидесятых, но из-за ограничений лазерной техники того времени долго не удавалось преодолеть рубеж в 1 ГэВ даже на крупных и исключительно дорогих экспериментальных установках. Только спустя тридцать с лишним лет после первого описания метода его удалось воплотить в виде компактного ускорителя.

Группа университете штата Техас в Остине использовала лазер петаваттного класса. Это позволило уменьшить требуемую плотность газа и на порядки уменьшить габариты всей системы. Ещё недавно такие лазеры были единичными, но сейчас уже производятся десятками в год и продаются многими компаниями, готовыми модифицировать их согласно требованиям заказчика.

Профессор Даунер считает, что его группе по силам увеличить мощность ускорителя в разы. Через пять лет коллектив учёных собирается представить модель с энергией пучка 10 ГэВ без существенного увеличения габаритов и даже планирует достичь рубежа в 20 ГэВ через десять лет, сохранив компактные размеры.