Ускорители элементарных частиц внесли решающий вклад в некоторые из самых ярких научных открытий современности и значительно расширили наши знания о структуре материи. Сейчас команда лазерных физиков под руководством проф.
Стефан Карш из Университета Людвига-Максимилиана (LMU) в Мюнхене и Института квантовой оптики Макса Планка в сотрудничестве с учеными из Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR), Лаборатория оптики в Париже (LOA) , Университет Стратклайда в Глазго и Электронный синхротрон DESY в Гамбурге совершили значительный прорыв в миниатюризации ускорителей. Они построили первый компактный двухступенчатый плазменный ускоритель, в котором частицы в плазменной волне, инициированной мощным лазером, используются для ускорения пучка электронов.
Ускорители элементарных частиц стали незаменимым инструментом для изучения структуры вещества на субатомных масштабах и имеют важные приложения в биологии и медицине.
Большинство этих систем используют мощные радиоволны, чтобы довести частицы до желаемой энергии. Один из недостатков этого подхода, который был стандартной методикой в этой области на протяжении десятилетий, заключается в риске электрического пробоя, когда в ускоритель подается очень высокая электрическая мощность на радиочастотах. Этот потенциальный риск эффективно ограничивает достижимую напряженность поля и является одной из причин, почему эти ускорительные системы обычно имеют длину в несколько километров.
Поэтому физики изучают способы уменьшить их размер, используя тот факт, что плазма может выдерживать гораздо более сильные поля ускорения. В этом случае электрическое поле, создаваемое мощным лазером или пучком частиц, используется для отделения электронов от атомов в газе и создания следа, подобного тому, который создается быстроходным катером на воде. Электроны, перемещающиеся по этому следу, могут получить ускорен почти до скорости света на расстоянии всего нескольких миллиметров.
Исследования плазменного ускорения с помощью лазеров, i.е. Laser Wakefield Acceleration (LWFA) сейчас проводится во многих исследовательских учреждениях по всему миру. Напротив, работа с ускорителями, основанными на пучках частиц – поле, известном как плазменное ускорение поля Wakefield (PWFA) – до сих пор была возможна только в крупномасштабных ускорительных установках (e.грамм. CERN, DESY и SLAC), хотя он предлагает ряд преимуществ перед LWFA.
Например, лучи частиц не нагревают плазму так сильно, как лазерные лучи, и позволяют использовать большее расстояние ускорения. Это, в свою очередь, обещает улучшить качество луча и увеличить его энергию – параметры, которые очень важны с точки зрения потенциального диапазона применений метода.
В своих экспериментах авторам нового исследования удалось впервые построить и успешно испытать практичный и компактный плазменный ускоритель на основе частиц.
Существенный прорыв заключается в том, что PWFA, который ускоряет последний электронный пучок, приводится в движение пучком частиц от LWFA. Последний сам по себе очень компактен, так что длина гибридного плазменного ускорителя составляет всего несколько сантиметров. Более того, моделирование показывает, что поля ускорения более чем на три порядка выше, чем те, которые достигаются в обычных ускорителях.
Еще одним многообещающим результатом исследования является то, что данные, полученные в LMU, подтверждаются дополнительными испытаниями, проведенными с лазером DRACO в HZDR.
Доктор. Андреас Допп, член мюнхенской группы под руководством проф.
Стефан Карш отмечает, что «всего несколько лет назад практическая реализация такой комбинации была бы немыслимой. Гибридный ускоритель стал возможным благодаря последующим разработкам в конструкции лазерных ускорителей, которые привели к огромным улучшениям стабильности пучка и других жизненно важных параметров."Большая часть этого прогресса была достигнута в LMU после установки в Центре передовых лазерных приложений (CALA) лазера ATLAS, который является одним из самых мощных в своем роде в Германии.
Успешная демонстрация гибридного плазменного ускорителя представляет собой последний шаг вперед. «Мы уже показали, что наш компактный плазменный ускоритель ведет себя очень похоже на своих обычных и гораздо более крупных традиционных собратьев. Поэтому мы уверены, что в ближайшем будущем сможем генерировать чрезвычайно яркие электронные пучки с помощью этой установки », – говорит Стефан Карш.
Прежде чем технологию можно будет применять в более широком масштабе, необходимо преодолеть ряд нерешенных проблем, но команда уже рассматривает множество возможных контекстов, в которых такие инструменты были бы очень полезны. "Например, исследовательские группы, у которых не было легкого доступа к ускорителю частиц, могли бы использовать эту технику и развивать ее дальше. Во-вторых, наш гибридный ускоритель мог бы послужить основой для так называемого лазера на свободных электронах (ЛСЭ) », – говорит д-р.
Ари Ирман, который координировал эксперименты в HZDR.
ЛСЭ – очень ценные источники излучения, которые можно использовать для чрезвычайно точных характеристик наноматериалов, биомолекул и геологических образцов. Соответственно, конкуренция за доступ к этим источникам, таким как европейский XFEL в Гамбурге, была интенсивной.
Если в будущем такие крупномасштабные рентгеновские лазеры могут быть дополнены новой плазменной технологией, такие более компактные источники потенциально могут стать доступными для более широкого круга пользователей, тем самым стимулируя исследования с помощью великолепных рентгеновских лучей в целом.