Новая технология позволит ускорять частицы на предельно коротких дистанциях

Учёным Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США) удалось реализовать технологию, которая позволит ускорять частицы на предельно коротких расстояниях. Благодаря этому размеры и цена ускорителей частиц будущего могут многократно сократиться.

Большой адронный коллайдер, принадлежащий ЦЕРНу, не просто так получил приставку «большой» в своём названии. Его размер действительно впечатляет. Шутка ли – длина основного кольца 26 659 метров. А длина Международного линейного коллайдера и того больше – 31 километр. Именно поэтому учёные всего мира десятилетиями бьются над тем, чтобы научиться ускорять частицы на значительно меньших расстояниях, нежели сейчас.

Размеры этих гигантских ускорителей определены лишь нашей способностью возводить строения, которые способны передавать энергию частицам, что, в свою очередь, позволяет нам разгонять их до гигантских скоростей. Чем выше скорость, тем большим количеством энергии обладают частицы в момент их столкновения, благодаря чему учёные могут ответить на многие волнующие их вопросы о вселенной.

Большая часть современных ускорителей основывается на взаимодействии заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле внутри радиочастотных полостей (RF Cavities) увеличивает энергию частиц, а магнитное поле отклоняет частицу в нужном направлении, не изменяя при этом её энергии.

Существуют ограничения в количестве энергии, которое может быть передано каждой частице внутри радиочастотной полости ускорителя. Ведь несмотря на то, что частицы находятся в вакууме, велик риск, что произойдёт выброс энергии, сродни крошечной молнии. Именно поэтому сейчас используется методика, когда множество радиочастотных полостей выстраивают в ряд или многократно используют одну и ту же полость.

Именно из-за этих самых радиочастотных полостей учёным и приходится строить гигантские ускорители, которые мало того, что занимают огромные площади, так ещё и стоят целое состояние. Поэтому любая технология, которая позволит строить ускорители из меньших деталей и меньшего количества различных блоков, сделает их гораздо компактнее.

Ускорители нужны не только для того, чтобы понять, как возникла вселенная. Они активно используются в медицине для борьбы с онкологическими заболеваниями, в промышленности и даже в области безопасности.

Новая технология, разработанная учёными из SLAC, исследования которых были опубликованы в журнале Nature, предполагает, что если пучки электронов быстро пропустить через слой парообразной плазмы лития, то электрическое поле плазмы способно передать электронам достаточное количество энергии, чтобы разогнать их до необходимой скорости в сто раз быстрее, нежели это происходит внутри Большого адронного коллайдера. При этом ускорение это происходит на отрезке длиной всего в 30 сантиметров.

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является её квазинейтральность, это означает, что объёмные плотности положительно и отрицательно заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Плазму зачастую называют четвёртым агрегатным состоянием вещества после твёрдого, жидкого и парообразного.

Электрическое поле между частицами в плазме может быть невероятно мощным. В проведённом учёными эксперименте пучок электронов (так называемый драйвер) был направлен сквозь плазму, в результате чего лёгкие электроны плазмы сдвигались со своих мест, создавая вслед за драйвером волны плотности заряда, создающие электрическое поле огромной напряжённости (до 100 ГВ/м). Второй пучок электронов, идущий вслед за первым, получает сильнейшее ускорение. Слой плазмы толщиной в 1 метр способен повысить энергию электронов до внушительных 1,6 гигаэлектронвольт.

Такое ускорение частиц называется кильватерным и уже исследуется многими научными организациями в течение некоторого времени. Учёным всё ещё остаётся решить несколько важных вопросов, которые возникли при исследовании данной технологии. К примеру, насколько равномерно электроны приобретают новую энергию, а также как увеличить количество частиц, получающих этот заряд. В любом случае технология плазменного ускорения частиц выглядит весьма многообещающей, если учёные поймут, как её эффективно применять на практике.

Другие группы учёных, такие как AWAKE в CERN, а также ALPHA-X в Университете Стратклайда, продолжают исследовать иные подходы к тому, как можно максимально эффективно применить плазменное ускорение в своей работе. Они используют протонные пучки и лазеры, чтобы добиться необходимого им эффекта. Уже существует несколько предварительных проектов ускорителей будущего, использующих данную технологию для разгона частиц. Но до момента воплощения этих идей в реальный ускоритель нам придётся подождать ещё как минимум несколько лет.