Ученые из американской Национальной ускорительной лаборатории SLAC представили сегодня новый ускорительный модуль, работающий на эффекте «кильватерного ускорения», который позволит в разы снизить аппетиты и размеры ускорителей частиц, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

Модель ускорения позитронов, движущихся из правого нижнего в левый верхний угол: плазма высокой плотности показана желтым и зеленым, траектории электронов плазмы — синими линиями. Изображение: W. An/UCL

В начале 1980 годов физики нашли потенциальный способ уменьшить размеры современных ускорителей частиц, по площади приближающихся к микрогосударствам. Они выяснили, что частицы можно разгонять при помощи лазера, превращающего небольшие сгустки материи в плазму и выбивающего из нее электроны.

Первые серьезные попытки реализовать эту идею были сделаны не так давно – российские и американские физики два и четыре года назад смогли создать «настольные» ускорители, способные разгонять частицы до относительно высоких скоростей и энергий, превышающих 1–3 мегаэлектронвольт (МэВ).

Это относительно небольшие и бесполезные с точки зрения физики — мощность классических ускорителей в сотни и десятки тысяч раз выше. К примеру, Большой адронный коллайдер после перезапуска может разогнать протон или электрон до энергии в 7,5 или 8 тераэлектронвольт (ТэВ), что в 4 миллиона раз выше пиковой мощности лазерных ускорителей.

Майкл Литос и его команда в SLAC уже почти восемь лет работает над улучшением системы лазерного ускорения и ищет альтернативные способы ускорения материи и антиматерии. В ноябре прошлого года они совершили прорыв — они создали устройство, которое они в шутку называют «плазменной форсажной камерой», способное ускорить электроны до очень высоких энергий при помощи так называемого кильватерного эффекта.

Она представляет собой миниатюрный ящик, в центре которой находится плазменное облако. Все подобные сгустки материи похожи по своей консистенции на своеобразный суп — в нем относительно крупные и малоподвижные «картофелины»-ионы плавают в «бульоне» из микроскопических электронов. Жидкая часть этого супа очень подвижна, и ее можно легко согнать со своего места, если ударить по ней «струей» из других электронов.

При таком ударе в освободившейся от «бульона» области возникает мощное электрическое поле, чье напряжение на порядки выше того, которого можно достичь в принципе в классических ускорителях частиц. И когда в определенный момент времени в него попадает электрон или другая заряженная частица, то она разгонится до очень высоких энергий за считанные мгновения. Физики называют такой способ разгона частиц «кильватерным ускорением» из-за того, что разгоняемые частицы ускоряют свой бег, используя «кильватерные» волны, порождаемые в плазме первым пучком электронов.

Используя этот принцип, Литос и его команда разогнали в ноябре прошлого года пучок электронов до достаточно солидного значения в 1,6 ГэВ, используя лазер LCLS и 30-сантиметровую «форсажную камеру». Сегодня им удалось повторить этот результат, используя не материю, а антиматерию — позитрон, положительно заряженный двойник электрона.

Ускорение позитронов, как отмечают ученые, было более сложной задачей — физики боялись, что пучок частиц потеряет свою форму при «вставке» в кильватер первой волны электронов. После долгих экспериментов и неудач, физики из SLAC нашли простое решение этой проблеме — они просто убрали первый пучок электронов и возложили его роль на само облако позитронов и электроны в «супе» плазмы.

Подобный подход оказался крайне эффективным — новая плазменная «форсажная камера» длиной в метр способна разогнать частицы антиматерии до энергии в 5 ГэВ. Подобное значение в 100 раз больше, чего удавалось достичь самым эффективным моделям ускорителей антиматерии. Дополнительным плюсом является то, что облако позитронов остается относительно стабильным, благодаря чему разброс в энергии частиц находится на минимальном уровне.

Подобный успех, как надеются авторы статьи, откроет дорогу для создания позитрон-электронных коллайдеров. Подобные приборы, как отмечают физики в рецензии на статью в журнале Nature, будут производить равное число обычных и экзотических частиц, что заметно увеличит шансы на обнаружение «новой физики» и открытие пока неизвестных нам частиц. Создание таких ускорителей, признают физики, будет возможно только в отдаленном будущем, так как синхронизация и объединение нескольких «форсажных камер» является крайне сложной вычислительной и инженерной задачей.