В журнале Nature Physics опубликована статья Proton-driven plasma-wakefield acceleration про перспективную технологию кильватерного ускорения электронов в плазме аж до ТэВных энергий. Статья доступна также в епринт-архиве: arXiv:0807.4599. Кстати, один из авторов работы -- Константин Лотов из Новосибирска, который уже более 10 лет занимается этой темой (см. его популярную лекцию для студентов НГУ про кильватерное ускорение).Вообще, в современных ускорителях частицы всегда ускоряются электрическим полем. Чем сильнее поле, тем быстрее идет набор энергии пролетающей частицей. В нынешних ускорителях используются поля напряженностью в мегавольты на метр. Это, конечно, пожет показаться страшно сильным полем, но для современной физики элементарных частиц это очень мало: ведь для того, чтобы набрать энергию в 1 ТэВ, частице придется пролететь сотни километров(!) в поле такой напряженности.У этой технологии есть физический предел: поля напряженностью заметно выше 100 МВ/м начнут вырывать электроны из металла и приведут к пробою ускоряющей камеры. Более сильные электрические поля можно получить, только если изменить саму среду, в которой поддерживаются такие поля. Например, можно взять плазму и запустить в нее короткий электронный сгусток, который возбудит в плазме колебание с напряженностью электрического поля в многие гигавольты на метр. Если вслед за первым сгустком, на небольшом расстоянии от него, запустить второй электронный сгусток, то это колебание подхватит его и начнет его ускорять (см. анимацию).Вообще, этой идее уже больше полувека. (Для знакомства с этой технологией могу порекомендовать хорошую популярную статью в журнале "В мире науки" за 2006; см. также подборку ссылок на новые результаты в моей недавней записи.) В последние 10-15 лет в этой области пошел быстрый прогресс, и сейчас рекордные градиенты составляют десятки ГВ/м. Однако удается такие сильные поля поддерживать лишь на дистанции в несколько сантиметров, так что конечная энергия электронов всё равно остается не очень большой, порядка 1 ГэВ. Для того, чтобы достичь существенно больших энергий, требуется либо научиться состыковывать в ряд много таких коротких миниускорителей, либо как-то удлинить эту дистанцию в одном ускорителе.В свежей статье как раз и предлагается перспективный метод решения этой задачи. Почему дистанция получается такой короткой при обычной методике? Потому что колебание в плазме порождается головным электронным сгустков (драйвером), который довольно быстро теряет свою энергию. В новой статье рассматривается (пока что теоретически) вариант, при котором в качестве драйвера используется короткий протонный сгусток Тэвных энергий.Да, для разгона электронов до Тэвных энергий требуется сначала запустить в плазму протонный пучок с аналогичной энергией. Но это не проблема -- протоны разгонять до Тэвных энергий намного проще, чем электроны (номинальная энергия протонов на LHC -- 7 ТэВ, а энергия электронов в предыдущем ЦЕРНовском ускорителе, LEP, чуть больше 100 ГэВ). Главная проблема для практической реализации в другом -- получить короткие протонные сгустки. Сейчас на LHC, в проектном режиме работы, протонные сгустки будут иметь порядка 10 см в длину. А для кильватерного ускорения сгустки должны быть порядка 0,1 миллиметра, т.е. в тысячу раз короче.Но если это удастся сделать, то, как показывают расчеты в статье, протонный пучок может "вести" и ускорять электронный очень долго, на дистанции в сотни метров. Ускоряющее поле можно будет сделать порядка 2-3 ГВ/м, что даст энергию электронов порядка 1 ТэВ на выходе. Там еще требуются некоторые ухищрения для того, чтобы "голова" протонного сгустка не убегала вперед, но это вполне реализуемо. Главное -- это сделать короткие протонные пучки.
Схема кильватерного ускорителя на протонном сгустке. На врезке показано, что протонный сгусток создает в плазме "электронный пузырь", граница которого подхватывает, ускоряет и автоматически фокусирует электронный сгусток. Рис. из статьи в Nature Physics.
Как изменяется энергия и относительная продольная координата протонного и электронного сгустков при прохождении дистанции в 0, 150, 300, 450 метров. Рис. из статьи в Nature Physics.В общем, если я в предыдущем посте писал, что плазменные ускорители не смогут в ближайшие десятилетия заменить крупные коллайдеры, то теперь на всякий случай беру свои слова обратно. Может быть, через десяток лет окажется, что эта технология уже станет реализуемой и составит конкуренцию обычной технологии для линейного электрон-позитронного коллайдера.
Комментарии (0)