Чтобы разогнать частицы до энергии, достаточной для открытия бозона Хиггса, потребовался каждый дюйм 17-мильной длины Большого адронного коллайдера. А теперь представьте себе ускоритель, который может делать то же самое, скажем, на футбольном поле. Или менее.
Таковы перспективы лазерно-плазменных ускорителей, в которых вместо мощных радиоволн используются лазеры для возбуждения электронов на очень коротких расстояниях. Ученые бились над созданием этих устройств в течение двух десятилетий, и новое теоретическое исследование предсказывает, что это может быть проще, чем считалось ранее.
Авторы - Карло Бенедетти, Карл Шредер, Эрик Эсари и Вим Лиманс, физики из Центра лазерных ускорителей Беркли (BELLA) Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Их статья «Плазменные кильватерные следы, возбуждаемые некогерентной комбинацией лазерных импульсов: путь к лазерно-плазменным ускорителям с высокой средней мощностью» опубликована в майском специальном выпуске Physics of Plasmas .
Если их модели окажутся верными, они могут помочь снизить стоимость исследований в области физики высоких энергий (Большой адронный коллайдер стоит 9 миллиардов долларов), а также многих других промышленных и медицинских приложений ускорителей.
Лазерно-плазменные ускорители работают, направляя мощный лазерный луч в плазму, облако непривязанных электронов и ионов.
«Эффект похож на кильватерный след от лодки, несущейся по озеру. Если бы след был достаточно большим, серфер мог бы по нему прокатиться», - пояснил Лиманс, возглавляющий центр BELLA.
«Представьте, что плазма - это озеро, а лазер - это моторная лодка. Когда лазер пробивается сквозь плазму, давление, создаваемое его фотонами, отталкивает электроны. лазер, когда он движется вниз по ускорителю », - сказал он.
Быстро движущиеся электроны оставляют позади тяжелые ионы. При разделении они создают гигантские электрические поля, в 100–1000 раз больше, чем в обычных ускорителях.
Вот почему они так быстро ускоряют электроны. Например, Стэнфордскому центру линейных ускорителей требуется две мили, чтобы довести электрон до 50 миллиардов электрон-вольт (ГэВ). Экспериментальный лазерно-плазменный ускоритель Лиманса переносит электроны с энергией более 1 ГэВ на расстояние чуть более 1 дюйма.
Для создания кильватерного поля требуется большая мощность лазера. Например, петаваттный (1 квадриллион ватт) лазер BELLA занимает площадь 10 х 10 метров. Он вырабатывает в 400 раз больше энергии, чем все электростанции мира вместе взятые, но всего за 40 фемтосекунд (40 квадриллионных долей секунды).
К сожалению, лазеру BELLA требуется целая секунда, чтобы перезарядиться и отправить второй импульс. Исследования физики высоких энергий требуют десятков тысяч импульсов в секунду. Многие другие приложения выиграют от нескольких импульсов в секунду.
Лазер BELLA имеет самую высокую частоту повторения среди петаваттных лазеров в мире. Создание более быстрого петаваттного лазера потребует героического инженерного мастерства.
Несколько европейских исследователей предложили использовать ряд меньших лазеров для создания одного мощного импульса. Поскольку менее мощные лазеры перезаряжаются быстрее, они могут производить сотни или даже тысячи импульсов в секунду и поддерживать кильватерную волну на многие метры.
Препятствие, которое им нужно было преодолеть, заключалось в том, как синхронизировать сотни лазеров, чтобы все они пульсировали с интервалом менее фемтосекунды.
Такая точность была бы дорогостоящей и создала бы серьезные технические проблемы. Но концепция комбинирования лазеров заставила команду Лиманса задуматься.
Что, если луч был не идеальным? Что, если бы он был достаточно хорош, чтобы быстро поднять фотонное давление на электроны? «Сможем ли мы уйти от этого?» - думали они.
Согласно модели, представленной в Physics of Plasmas , они могли. Лиманс сравнивает это с раскачиванием качелей.
«Вместо одного большого толчка мы давали бы ему много меньших толчков примерно в одно и то же время. Это не совсем идеально, но качели на самом деле не заботятся. Он усредняет все эти маленькие толчки и идет вверх».
Снижение времени сделало бы более крупные и более устойчивые ускорители практичными. Лиманс надеется снабдить их новой технологией, основанной на высокоэффективных волоконных лазерах. Мощность, которую предлагают стандартные сварочные лазеры, демонстрирует возможности в несколько киловатт, но требуется много работы, чтобы упаковать мощность в ультракороткие импульсы, необходимые для лазерных плазменных ускорителей. В статье предлагается подход, который приближает нас на шаг вперед.
Новые ускорители предложат новые возможности физикам, пытающимся разгадать, как устроена Вселенная. Это могло бы снизить стоимость промышленного использования и сделать высокоэнергетические ускорители более доступными для больниц.
