Американцы придумали, как ускорить ускорители
Группа американских физиков поставила революционный эксперимент по разгону электронов плазмой. Уже в ходе первых опытов был достигнут выигрыш в скорости разгона примерно в сто раз по сравнению со стандартной технологией.
Остаются считанные месяцы до запуска в ЦЕРНе самого мощного ускорителя современности — Большого адронного коллайдера (LHC), в котором будут сталкиваться протоны, разогнанные до энергий 7 ТэВ (тераэлектронвольт). LHC обеспечит физиков «хлебом» на ближайшее десятилетие, однако уже сейчас встает вопрос о том, что же будет дальше. Проблема в том, что ускорители на еще большую энергию потребуют очень длинных, в сотни километров, туннелей, и рано или поздно конструкторы упрутся в технологический и финансовый тупик (см. популярную статью Будущее физики элементарных частиц).
Возможный выход из тупика — поиск новых технологий ускорения частиц. Добрый старый метод разгона частиц — периодическое подталкивание пролетающего пучка внешним кратковременным электрическим полем — имеет принципиальное ограничение: слишком сильное поле будет вырывать электроны и разрушать сам материал ускорителя. Это приводит к ограничению на «ускоряющий градиент»: не выше, чем примерно 1 ГэВ на метр ускорителя (т. е. 1 ТэВ на километр).
Одним из самых перспективных альтернативных способов ускорения частиц является разгон в поле плазменного сгустка (о взаимодействии электронных сгустков с плазмой читайте в популярной заметке Преломление электронного пучка). Обнадеживающие эксперименты 1990-х и начала 2000-х годов уже доказали принципиальную эффективность этого метода. Правда, все эксперименты до сих пор проводились лишь на масштабе в несколько миллиметров.
Недавняя статья американских исследователей из Стэнфорда M. J. Hogan et al., Physical Review Letters, 95, 054802 (28 July 2005) сообщает об очередном прорыве в этой технологии. В статье описываются результаты по успешному разгону электронов до энергий около 3 ГэВ на участке длиной всего 10 см!
Для достижения этого впечатляющего результата ученым не потребовалось прикладывать какие-то сверхусилия — достаточно было лишь с умом использовать законы взаимодействия электронного пучка с плазмой. Исследователи выводили один сгусток электронов из Стэнфордского линейного ускорителя с энергией 28,5 ГэВ, сжимали его в продольном и поперечном направлениях и пропускали его через камеру длиной 10 см с парами лития.
Проходя через камеру, сгусток моментально ионизировал газ на своем пути, расталкивая электроны вещества в стороны и порождая плазменные волны. Эти электроны, однако, через полпериода колебаний возвращались, смыкаясь позади пролетевшего сгустка и создавая мощное электрическое поле. Это поле было настолько сильным, что «ударом» ускоряло электроны из задней части пролетевшего сгустка, придавая им дополнительную энергию около 3 ГэВ.
Конечно, в среднем энергия сгустка после прохождения камеры падала. Однако за счет электрического взаимодействия с плазмой заметная часть электронов приобретала мощный кратковременный толчок вперед — это и есть самое главное достижение. Самое привлекательное в этой методике то, что ученому требуется лишь «все настроить», а уж природа сама произведет ускорение частиц.
В дальнейшем технику эксперимента можно шлифовать. Можно, например, устроить «разделение труда»: один сгусток будет ионизировать и разгонять плазму, а второй — разгоняться в поле этой плазмы после ее спонтанной концентрации. Следующий очевидный шаг — пропускание пучка через серию камер и последовательное, шаг за шагом, ускорение электронов.
Кто знает, может быть через десяток лет ускоритель электронов на 100 ГэВ можно будет просто принести в лабораторию, поставить на стол и включить в розетку.
Последние новости
