Физики из России и ЦЕРН создали сверхбыстрый ускоритель частиц
Российские и зарубежные ученые заявили о создании пока самого быстрого ускорителя частиц, способного разгонять электроны до сверхвысоких энергий за рекордно короткое время. Его описание представлено в статье в журнале Nature.
"Мы впервые показали, что кильватерное ускорение работает и при использовании пучков протонов. Нам удалось разогнать электроны до 2 гигаэлектронвольт, используя облако плазмы длиной всего в десять метров. Это дает надежду на то, что мы сможем создать односекционные ускорители, способные разгонять частицы до значений порядка ТэВ", - пишут участники коллаборации AWAKE.
На гребне волны
В начале 1980 годов физики нашли потенциальный способ уменьшить размеры современных ускорителей частиц, по площади приближающихся к микрогосударствам. Они выяснили, что частицы можно разгонять при помощи лазера, превращающего небольшие сгустки материи в плазму и выбивающего из нее электроны.
Первые серьезные попытки реализовать эту идею были сделаны не так давно. Пять и семь лет назад российские и американские физики создали "настольные" ускорители, способные разгонять частицы до относительно высоких скоростей и энергий, превышающих один-два мегаэлектронвольт (МэВ).
Как правило, они представляют собой небольшую емкость, в центре которой находится облако из плазмы, похожее по структуре на своеобразный "суп" с фрикадельками. В роли бульона в данном случае выступают небольшие, но подвижные электроны, а кусочков мяса - относительно малоподвижные ионы.
Если по такому облаку ударить пучком электронов или других заряженных частиц, то "бульон" сдвинется, а "фрикадельки" останутся на месте. В результате этого в этой области возникнет очень неоднородное и мощное электрическое поле. Его напряженность на порядки выше того, чего можно достичь на БАК или в других "обычных" ускорителях. И если в это поле попадает электрон или другая частица, то тогда она разгоняется до сверхвысоких энергий за доли секунды.
Физики называют такой способ разгона частиц "кильватерным ускорением" из-за того, что разгоняемые частицы ускоряют свой бег, используя "кильватерные" волны, порождаемые в плазменном "супе" первым пучком электронов.
"Коллайдерная" революция
Алексей Петренко из Института ядерной физики СО РАН в Новосибирске и его коллеги из России и зарубежных стран создали первый рабочий прототип подобного ускорителя, способный решать серьезные задачи, экспериментируя с пучками протонов и облаками плазмы в рамках проекта AWAKE, созданного в ЦЕРН пять лет назад.
Использование пучков протонов в качестве источника кильватерных волн, как объясняют ученые, имеет свои плюсы и минусы. С одной стороны, они обладают гораздо более высокой энергией, благодаря чему частицы будут разгоняться сильнее и быстрее. С другой стороны, ими гораздо сложнее управлять из-за больших размеров подобных пучков, что заставило физиков задуматься о том, как его можно сжать или разбить на части.
Используя компьютерные модели, созданные российскими участниками коллаборации, участники AWAKE смогли разбить пучки протонов, вырабатываемые ускорителем SPS, "сердцем" БАК, на множество маленьких порций, и ввести их в облако из ионов рубидия таким образом, что они порождали кильватерные волны.
апустив в него пучок электронов низких энергий, ученые проверили, работает ли подобная методика разгона частиц. Реальность превзошла их ожидания - плазменный "серфинг" позволил носителям заряда достичь энергии в 2 ГэВ, что идеально соответствует результатам расчетов Петренко и его коллег.
Дальнейшая оптимизация пучка протонов и того, как устроено облако плазмы, как надеются ученые, позволит им выйти на уровень энергий, сопоставимых с БАК и другими гигантскими ускорителями частиц, уже в ближайшие годы.
