Готується експеримент з надшвидкого прискорення електронів у вуглецевих нанотрубках

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 53

Ріс. 1. Утримувач для мішені в установці ASTA в Фермілабі, на якій буде перевірена методика кільватерного прискорення електронів у вуглецевих нанотрубках. Фото з сайту fast.fnal.gov

Прискорювачі елементарних частинок потрібні і для нових фундаментальних відкриттів, і для численних практичних застосувань. Радикальний прогрес тут стане можливим тільки після впровадження нових технологій прискорення частинок. Так, вже давно розробляється кільватерне прискорення в плазмі, де фізики розраховують отримати прискорюючі поля в десятки гігавольт на метр. Але і це не межа. У Фермілабі йде підготовка до експерименту, в якому кільватерне прискорення буде реалізовано всередині вуглецевих нанотрубок, а прискорюючий градієнт, за оцінками, досягне захмарних значень теравольт на метр.

Коли мова заходить про майбутніх колайдерів елементарних частинок, розрахованих на ще більші енергії, головним каменем спотикання залишаються їх великі розміри — десятки кілометрів! — і, як наслідок, дорожнеча. Кільцеві прискорювачі великих енергій не вийде зробити менше, тому що для цього або будуть потрібні надсильні магнітні поля, які поки недоступні, або, в разі електронів, занадто багато енергії буде витрачатися на кожному обороті пучка. Лінійні електрон-позитронні колайдери вільні від цих недоліків, але вони теж впираються в технологічну межу — доступний на сьогодні темп прискорення частинок. Прискорююче електричне поле в використовуваних зараз прискорювальних секціях досягає декількох мегавольт на метр. Проект міжнародного лінійного колайдера ILC розрахований на прискорюючий градієнт вище — 31,5 МВ/м. Але навіть при таких значеннях буде потрібно майже 10 км прямої прискорювальної секції для розгону електронів до енергії хоча б 250 ГЕВ. І якщо ILC або інші схожі проекти ще можуть бути реалізовані, то далі — фінансовий глухий кут.

Прискорювачі знаходять і численні практичні застосування. Зараз у світі налічується понад 30 тисяч прискорювачів, і майже всі вони використовуються саме для прикладних досліджень. Їх енергії невеликі, але все одно такі установки займають цілі будівлі. Такі прискорювачі стануть набагато дешевшими і доступнішими, якщо при тій же енергії їх вдасться перетворити на настільні установки.

Всі ці запити фундаментальних і прикладних досліджень можуть бути задоволені тільки за рахунок реалізації нової технології прискорення частинок з градієнтом порядку ГВ/м або більше. Принципових фізичних перешкод тут немає. Якщо, наприклад, всередину плазми запустити короткий і щільний протонний згусток-драйвер, то він на своєму шляху породить сильне коливання, такий собі міхур, що летить вперед з навколосвітньою швидкістю, всередині якого електричне поле буде досягати десятків ГВ/м. Електронний згусток, пущений слідом, буде постійно перебувати в області надсильного електричного поля і швидко розженеться до високих енергій. Аналогічну бульбашку можна породити в плазмі і надпотужним лазерним імпульсом.

Ця технологія, звана кільватерним прискоренням, зараз активно розробляється в багатьох лабораторіях, включаючи і ЦЕРН, де цим питанням займається спеціальний експеримент AWAKE. Подробиці можна знайти в наших новинах (див., наприклад, Вчені підвищили ефективність плазмового прискорювача, збільшивши щільність пучків, «Елементи», 28.11.2014 і посилання на більш ранні новини), в популярній лекції Артема Коржиманова На гребені плазмової хвилі до чіткого біоіміджингу і в лекції Костянтина Лотова Кільватерне прискорення частинок у плазмі.

А чи можна зробити кільватерне прискорення ще ефективнішим? Вже давно фізики звернули увагу на те, що всередині твердого тіла цей процес може бути набагато більш ефективним. Щільність електронів у суцільному середовищі в сотні і тисячі разів вище електронної щільності в розрідженій плазмі. Тому якщо такий міхур створити всередині кристала, можна замахнутися на прискорюючий градієнт близько десятків ТВ/м — в мільйони разів сильніше того, що доступно зараз! Так само як і в плазмі, електронну бульбашку в кристалі можна створити дуже швидко, так що ядра кристалічної решітки не встигнуть ще зрушити зі своїх місць. В результаті електрони пролетять між рядами майже голих ядер і будуть прискорені майже без розсіювання. Кристал при такій процедурі швидше за все зруйнується, але він дозволить розігнати електрони до недосяжних зараз енергій. Теоретично, це можна зробити в кристалі за допомогою надпотужного (гігавати) імпульсу жорсткого рентгена з енергій фотонів десятки кЕв. На жаль, досить потужних імпульсних джерел такого жорсткого випромінювання поки не існує. Можна було б спробувати, за аналогією з плазмою, використовувати для створення бульбашки короткий згусток-драйвер, а не спалах жорсткого рентгена, але, на жаль, всередині речовини цей згусток не буде досить стабільним.

І тут на допомогу приходить матеріал, який давно на слуху, але зовсім з інших причин, — вуглецеві нанотрубки (див. лише один недавній приклад їхніх чудових властивостей у новині Білий фосфор, укладений на нанотрубку, перетворився на «рожевий», «Елементи», 14.06.2017). Вони являють собою графітові площини, згорнуті в довгі і рівні трубочки. Вони можуть бути багатостінні і досить широкі, з діаметром в тисячу міжатомних відстаней, зберігаючи при цьому свою разючу структурну міцність. Якщо крізь таку нанотрубку пропустити компактний згусток-драйвер, він запустить в ній сильне плазмонне коливання — підтримують один одного коливання електронної щільності та електромагнітного поля (рис. 2). На осі нанотрубки виникне область сильного прискорюючого поля порядку ТБ/м. Через те що просвіт в нанотрубці набагато ширше міжатомної відстані, вимоги до згустку-драйверу виходять куди менш жорсткі, ніж при каналюванні в кристалі. В результаті сама нанотрубка при цьому не зруйнується і буде готова до прийому нових згустків.

Ріс. 2. Моделювання електронної щільності в багатостінній вуглецевій нанотрубці при проходженні крізь неї пари електронних згустків. Зображення з обговорюваної статті

Описана вище ідея була запропонована кілька років тому колективом авторів з Університету Північного Іллінойсу і Національної прискорювальної лабораторії ім. Е. Фермі — Фермілабе (див. короткий опис у препринті arXiv:1502.02073 і більш детальний розбір у статті arXiv:1504.00387). Їх оцінки тоді показали, що нинішні технології, як мінімум, дозволяють поставити тестовий експеримент з перевірки цієї ідеї. У недавній публікації TeV/m Nano-Accelerator: Current Status of CNT-Channeling Acceleration Experiment дослідники розповіли про поточний стан планованого експерименту.

Експеримент планується провести в Фермілабі. Там зараз якраз будується прискорювальний комплекс FAST, який дозволить дослідникам тестувати різні схеми прискорення з прицілом на прискорювачі наступного покоління. Зокрема, прискорювальна лінія ASTA видаватиме пучок електронів зі скромною енергією 50-300 МеВ, з яким, однак, можна буде виконувати безліч маніпуляцій. Зокрема, електронний згусток в ньому можна приготувати таким чином, щоб при проходженні крізь нанотрубку його «голова» запускала сильне коливання, а «хвіст», розташований на контрольованій відстані, прискорювався в надсильному полі.

Масив нанотрубок для цього експерименту виготовить компанія NanoLab Inc. за добре відомою технологією осадження з газової фази на підкладку з пористого оксиду алюмінію. Компанія вже пред’явила перший тестовий зразок з нанотрубками необхідних розмірів (діаметр 200 нм при довжині 0,1 мм), див. рис. 3. Вся інша інфраструктура прискорювальної лінії FAST, включаючи датчики і детектори, в принципі готова.

Ріс. 3. Ліворуч: технологія виготовлення масиву багатостінних вуглецевих нанотрубок на підкладці, праворуч: перший зразок, виготовлений компанією NanoLab Inc. Зображення з обговорюваної статті

Нарешті, виконано детальне чисельне моделювання процесу для різних параметрів установки (енергії вихідного пучка, заряд згустка, радіус нанотрубки порівняно з довжиною хвилі плазмонного коливання). Його результати підтверджують, що досить щільний згусток-драйвер здатний створювати прискорюючий градієнт аж до 1 ТБ/м. При тих параметрах пучка, які установка поки зможе видати, ефект буде слабшим, та й на субміліметрових дистанціях приріст енергії буде дуже скромний. Але зараз головне завдання — це не рекорди, а демонстрація самої технології. Як тільки вона запрацює і підтвердяться очікувані закономірності, можна буде цілеспрямовано працювати над посиленням ефекту.

Джерело: Y. M. Shin, A. H. Lumpkin, J. C. Thangaraj, R. M. Thurman-Keup, V. Shiltsev. TeV/m Nano-Accelerator: Current Status of CNT-Channeling Acceleration Experiment // препринт arXiv:1705.01983 [physics.acc-ph].

Ігор Іванов