Готовится эксперимент по сверхбыстрому ускорению электронов в углеродных нанотрубках

Рис. 1. Держатель для мишени в установке ASTA в Фермилабе, на которой будет проверена методика кильватерного ускорения электронов в углеродных нанотрубках. Фото с сайта fast.fnal.gov

Ускорители элементарных частиц нужны и для новых фундаментальных открытий, и для многочисленных практических применений. Радикальный прогресс здесь станет возможным только после внедрения новых технологий ускорения частиц. Так, уже давно разрабатывается кильватерное ускорение в плазме, где физики рассчитывают получить ускоряющие поля в десятки гигавольт на метр. Но и это не предел. В Фермилабе идет подготовка к эксперименту, в котором кильватерное ускорение будет реализовано внутри углеродных нанотрубок, а ускоряющий градиент, по оценкам, достигнет заоблачных значений теравольт на метр.

Когда речь заходит о будущих коллайдерах элементарных частиц, рассчитанных на еще большие энергии, главным камнем преткновения остаются их большие размеры — десятки километров! — и, как следствие, дороговизна. Кольцевые ускорители больших энергий не получится сделать меньше, потому что для этого либо потребуются сверхсильные магнитные поля, которые пока недоступны, либо, в случае электронов, слишком много энергии будет тратиться на каждом обороте пучка. Линейные электрон-позитронные коллайдеры свободны от этих недостатков, но они тоже упираются в технологический предел — доступный на сегодня темп ускорения частиц. Ускоряющее электрическое поле в используемых сейчас ускорительных секциях достигает нескольких мегавольт на метр. Проект международного линейного коллайдера ILC рассчитан на ускоряющий градиент повыше — 31,5 МВ/м. Но даже при таких значениях потребуется почти 10 км прямой ускорительной секции для разгона электронов до энергии хотя бы 250 ГэВ. И если ILC или другие похожие проекты еще могут быть реализованы, то дальше — финансовый тупик.

Ускорители находят и многочисленные практические применения. Сейчас в мире насчитывается свыше 30 тысяч ускорителей, и почти все они используются именно для прикладных исследований. Их энергии невелики, но всё равно такие установки занимают целые здания. Такие ускорители станут намного дешевле и доступнее, если при той же энергии их удастся превратить в настольные установки.

Все эти запросы фундаментальных и прикладных исследований могут быть удовлетворены только за счет реализации новой технологии ускорения частиц с градиентом порядка ГВ/м или больше. Принципиальных физических препятствий тут нет. Если, например, внутрь плазмы запустить короткий и плотный протонный сгусток-драйвер, то он на своем пути породит сильное колебание, этакий пузырь, летящий вперед с околосветовой скоростью, внутри которого электрическое поле будет достигать десятков ГВ/м. Электронный сгусток, пущенный вслед, будет постоянно находиться в области сверхсильного электрического поля и быстро разгонится до высоких энергий. Аналогичный пузырь можно породить в плазме и сверхмощным лазерным импульсом.

Эта технология, называемая кильватерным ускорением, сейчас активно разрабатывается во многих лабораториях, включая и ЦЕРН, где этим вопросом занимается специальный эксперимент AWAKE. Подробности можно найти в наших новостях (см., например, Ученые повысили эффективность плазменного ускорителя, увеличив плотность пучков, «Элементы», 28.11.2014 и ссылки на более ранние новости), в популярной лекции Артема Коржиманова На гребне плазменной волны к четкому биоимиджингу и в лекции Константина Лотова Кильватерное ускорение частиц в плазме.

А можно ли сделать кильватерное ускорение еще эффективнее? Уже давно физики обратили внимание на то, что внутри твердого тела этот процесс может быть намного более эффективным. Плотность электронов в сплошной среде в сотни и тысячи раз выше электронной плотности в разреженной плазме. Поэтому если такой пузырь создать внутри кристалла, можно замахнуться на ускоряющий градиент порядка десятков ТВ/м — в миллионы раз сильнее того, что доступно сейчас! Так же как и в плазме, электронный пузырь в кристалле можно создать очень быстро, так что ядра кристаллической решетки не успеют еще сдвинуться со своих мест. В результате электроны пролетят между рядами почти голых ядер и будут ускорены почти без рассеяния. Кристалл при такой процедуре скорее всего разрушится, но он позволит разогнать электроны до недостижимых сейчас энергий. Теоретически, это можно сделать в кристалле с помощью сверхмощного (гигаватты) импульса жесткого рентгена с энергий фотонов десятки кэВ. К сожалению, достаточно мощных импульсных источников столь жесткого излучения пока не существует. Можно было бы попробовать, по аналогии с плазмой, использовать для создания пузыря короткий сгусток-драйвер, а не вспышку жесткого рентгена, но, увы, внутри вещества этот сгусток не будет достаточно стабильным.

И тут на помощь приходит материал, который давно на слуху, но совсем по иным причинам, — углеродные нанотрубки (см. лишь один недавний пример их замечательных свойств в новости Белый фосфор, заключенный в нанотрубку, превратился в «розовый», «Элементы», 14.06.2017). Они представляют собой графитовые плоскости, свернутые в длинные и ровные трубочки. Они могут быть многостенные и достаточно широкие, с диаметром в тысячу межатомных расстояний, сохраняя при этом свою поразительную структурную прочность. Если сквозь такую нанотрубку пропустить компактный сгусток-драйвер, он запустит в ней сильное плазмонное колебание — поддерживающие друг друга колебания электронной плотности и электромагнитного поля (рис. 2). На оси нанотрубки возникнет область сильного ускоряющего поля порядка ТВ/м. Из-за того что просвет в нанотрубке намного шире межатомного расстояния, требования к сгустку-драйверу получаются куда менее жесткие, чем при каналировании в кристалле. В результате сама нанотрубка при этом не разрушится и будет готова к приему новых сгустков.

Рис. 2. Моделирование электронной плотности в многостенной углеродной нанотрубке при прохождении сквозь нее пары электронных сгустков. Изображение из обсуждаемой статьи

Описанная выше идея была предложена несколько лет назад коллективом авторов из Университета Северного Иллинойса и Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми — Фермилабе (см. краткое описание в препринте arXiv:1502.02073 и более подробный разбор в статье arXiv:1504.00387). Их оценки тогда показали, что нынешние технологии, как минимум, позволяют поставить тестовый эксперимент по проверке этой идеи. В недавней публикации TeV/m Nano-Accelerator: Current Status of CNT-Channeling Acceleration Experiment исследователи рассказали о текущем состоянии планируемого эксперимента.

Эксперимент планируется провести в Фермилабе. Там сейчас как раз строится ускорительный комплекс FAST, который позволит исследователям тестировать различные схемы ускорения с прицелом на ускорители следующего поколения. В частности, ускорительная линия ASTA будет выдавать пучок электронов со скромной энергией 50–300 МэВ, с которым, однако, можно будет выполнять множество манипуляций. В частности, электронный сгусток в нем можно приготовить таким образом, чтобы при прохождении сквозь нанотрубку его «голова» запускала сильное колебание, а «хвост», расположенный на контролируемом расстоянии, ускорялся в возникшем сверхсильном поле.

Массив нанотрубок для этого эксперимента изготовит компания NanoLab Inc. по хорошо известной технологии осаждения из газовой фазы на подложку из пористого оксида алюминия. Компания уже предъявила первый тестовый образец с нанотрубками требуемых размеров (диаметр 200 нм при длине 0,1 мм), см. рис. 3. Вся прочая инфраструктура ускорительной линии FAST, включая датчики и детекторы, в принципе готова.

Рис. 3. Слева: технология изготовления массива многостенных углеродных нанотрубок на подложке, справа: первый образец, изготовленный компанией NanoLab Inc. Изображения из обсуждаемой статьи

Наконец, выполнено детальное численное моделирование процесса для различных параметров установки (энергии исходного пучка, заряд сгустка, радиус нанотрубки по сравнению с длиной волны плазмонного колебания). Его результаты подтверждают, что достаточно плотный сгусток-драйвер способен создавать ускоряющий градиент вплоть до 1 ТВ/м. При тех параметрах пучка, которые установка пока сможет выдать, эффект будет слабее, да и на субмиллиметровых дистанциях прирост энергии будет очень скромный. Но сейчас главная задача — это не рекорды, а демонстрация самой технологии. Как только она заработает и подтвердятся ожидаемые закономерности, можно будет целенаправленно работать над усилением эффекта.

Источник: 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].

Игорь Иванов