«Вчені підвищили ефективність плазмового прискорювача, збільшивши щільність пучків»

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 51

Ріс. 1. Схема плазмового кільватерного прискорення. Зверху — за відсутності пучка прискорюваних електронів, знизу — за його наявності (Trailing bunch). Відтінками синього передана щільність електронів у плазмі. Кільватерна хвиля (Plasma wake) збуджується електронним пучком — драйвером (Drive bunch), що поширюється зліва направо. Червоною лінією показано поздовжнє електричне поле на осі пучка, темно-синім пунктиром — розподіл щільності електронів там само. Схема з обговорюваної статті в Nature

Традиційні методи прискорення частинок до високих енергій практично вперлися в стелю своїх можливостей. Створення прискорювачів наступного покоління вимагає розробки принципово нових підходів. Однією з найбільш перспективних альтернатив є плазмове прискорення. У недавній статті, опублікованій в журналі Nature, співробітники Стенфордського лінійного прискорювача SLAC повідомляють, що їм вдалося значно підвищити ефективність плазмових прискорювачів, збільшивши число прискорюваних частинок.

Найпотужнішим інструментом сучасної фізики елементарних частинок є Великий адронний колайдер (LHC). Ця монструозна машина вартістю в кілька мільярдів доларів вже дозволила нам зробити ряд відкриттів, головним з яких, безумовно, є бозон Хіггса (див. Хіггсовський бозон: відкриття та плани на майбутнє, «Елементи», 16.07.2012). Однак і у LHC є свої межі. Рано чи пізно фізики досліджують все, що тільки можна в цих межах, але можуть так і не знайти відповіді на багато питань. Тому вже зараз вчені замислюються про те, як виглядатиме прискорювач наступного покоління. На даний момент це питання відкрите; фаворитом, мабуть, є Міжнародний лінійний електрон-позитронний колайдер ILC (див. новину Фізики обговорюють варіанти «хіггсовської фабрики», «Елементи», 19.02.2013, а також статтю Хіггс відкрито. Що далі?, «Наука і життя» № 10, 2013). Не виключено, що крім традиційного прискорювача він буде містити і ділянку нової технології — так званого плазмового прискорювача. У всякому разі, саме в цьому напрямку працює група співробітників Стенфордського лінійного прискорювача SLAC.

Проблема з традиційними прискорювачами така: на справжньому етапі їх розміри повинні бути справді величезними, щоб задовольнити вимогам вчених. Це пов’язано з тим, що існує обмеження зверху на поля, які прискорюють в них частинки. Якщо поле збільшиться, то почнеться руйнування самих пристроїв, що створюють ці поля. Саме з цієї причини розміри і вартість LHC настільки великі.

Однак є альтернативний шлях: використовувати як прискорювача плазму. Плазма — це гарячий іонізований газ, і в ній можна створювати електричні поля практично довільної величини. Вже досить давно був запропонований ефективний спосіб створення таких полів. Цей спосіб, відомий як плазмове кільватерне прискорення, полягає в збудженні в плазмі хвилі за допомогою того чи іншого «драйвера». Драйвер часто використовує короткий і потужний лазерний імпульс. Про успіхи лазерного прискорення електронів вже розповідалося на «Елементах» (див. новини Плазмові прискорювачі подолали рубіж в 1 ГЕВ, 29.09.2006, і Створений лазерно-плазмовий прискорювач нового покоління, 17.08.2011). Однак драйвером може бути і пучок релятивістських електронів (Американці придумали, як прискорити прискорювачі, «Елементи», 02.08.2005) або навіть протонів (Запропонована схема плазмового прискорювача електронів до енергій близько 1 ТЕВ, «Елементи», 16.04.2009), хоча в останньому випадку виникають додаткові складнощі.

Саме можливістю прискорювати електронний пучок плазмовою хвилею, створеною іншим електронним пучком, і займаються співробітники SLAC. Звичайно, пучок-драйвер попередньо повинен бути прискорений до великих енергій (саме для цього експериментаторам і потрібен лінійний прискорювач), але потім у плазмі можна, наприклад, подвоїти енергію електронів у прискорюваному пучку, якщо він ідентичний пучку-драйверу. Такий експеримент вже проводився на SLAC кілька років тому. Вченим тоді вдалося практично подвоїти енергію електронів, збільшивши її c 42 до 85 ГЕВ (I. Blumenfeld et al. 2007. Energy doubling of 42 GeV electrons in a metre-scale plasma wakefield accelerator).

Коротко механізм плазмового прискорення електронів можна описати так (рис. 1). Драйвер, поширюючись у плазмі, своїм електричним полем виводить електрони плазми зі стану рівноваги. В результаті позаду драйвера збуджується електронна плазмова хвиля, що біжить з тією ж швидкістю, що і драйвер. Цей процес у чомусь аналогічний збудженню хвиль на поверхні води кораблем або моторним човном, тому такі плазмові хвилі отримали назву кільватерних.

Оскільки в плазмовій хвилі є згущення і розріження електронної щільності — області, в яких електронів трохи більше або трохи менше, ніж фонових іонів, — то в ній є також і змінне поздовжнє електричне поле, створюване нескомпенсованими зарядами. Причому це поле також біжить слідом за драйвером зі швидкістю плазмової хвилі. У деяких областях (їх ще називають фазами) поздовжнє поле є прискорюючим для електронів, а в деяких — гальмуючим. Тепер якщо є пучок релятивістських електронів невеликого розміру, який може повністю поміститися в область прискорюючого поля, то, потрапивши в таку область (звичайно, якщо він летить в тому ж напрямку, що і драйвер), цей пучок так і буде в ній летіти, оскільки і швидкість драйвера, і швидкість хвилі, і швидкість прискорюваного пучка лише незначно менше швидкості світла. Таким чином, буде здійснюватися безперервне прискорення електронів, що потрапили в прискорюючу фазу поля, до тих пір, поки вони, набравши енергію, не обженуть її.

Очевидна проблема описаної схеми полягає в її відносно невисокій ефективності. Велика частина енергії драйвера витрачається даремно на збудження кільватерної хвилі і не передається прискорюваному пучку. Саме на цій проблемі сконцентрувалися експериментатори в обговорюваній роботі. Щоб збільшити ефективність, вони вдалися до простого методу: почали збільшувати кількість електронів у прискорюваному пучку. Дійсно, прискорення окремого електрона практично не залежить від наявності інших його побратимів, тому, збільшивши їх число, можна збільшити і повну кількість енергії, передану пучку. Звичайно, робити так до нескінченності не можна. Рано чи пізно пучок стане занадто щільним, щоб можна було знехтувати взаємодією в ньому частинок між собою: пучок почне розпадатися і руйнувати хвилю, що прискорює. Саме цей кордон і шукали у своїх експериментах співробітники SLAC.

В результаті в серії так званих пострілів, тобто поодиноких експериментів, їм вдалося отримати середню ефективність 17,7%, а в деяких пострілах ефективність перевищувала 30%. При цьому електрони в пучці прискорювалися з 20,35 ГЕВ до 21,9-22,0 ГэВ в середньому (рис. 2). Разом з тим значно збільшувалася ступінь їх розкиду по енергіях: деякі електрони в кінці прискорення мали енергію навіть менше, ніж на початку. Крім того, багато електрон значно відставали, не потрапляючи в так зване «ядро» прискореного пучка. Енергія, передана цим електронам, в результаті не враховувалася при підрахунку ефективності. Незважаючи на ці проблеми, розкид енергії електронів в «ядрі» все-таки був прийнятним і в середньому не перевищував 2%, а в кращих пострілах був на рівні 0,7%.

Рис, 2. Розподіл електронів по енергіях в кінці прискорення в різних пострілах. По вертикалі відкладено умовний номер пострілу після сортування за отриманою ефективністю, по горизонталі — енергія електронів. Спочатку електрони мали вузький спектр поблизу 20,35 ГЕВ. Чорною лінією зображена «повна ефективність» прискорення, тобто кількість енергії, переданої всім прискорюваним електронам. Червоною лінією зображена «ефективність», обчислена за кількістю енергії, переданої тільки електронам, які потрапили в «ядро» прискореного пучка електронів. Ця характеристика більш адекватна з точки зору експерименту, тому що енергію, передану електронам, які не потрапили в підсумку в «ядро» і відстали, слід вважати втраченою. Графік з обговорюваної статті в Nature

Щоб наочно уявити собі головну перевагу плазмового прискорювача, треба розуміти, що довжина плазмового шару, в якому відбувалося прискорення, становила близько 36 см. Для порівняння, щоб збільшити енергію електронів на 1,6 ГЕВ традиційними методами, потрібно прогнати їх по ділянці прискорювача довжиною близько 200 метрів.

Джерело: M. Litos et al. High-efficiency acceleration of an electron beam in a plasma wakefield accelerator // Nature. 2014. V. 515. P. 92–95.

Артем Коржиманов