Учени от американската Национална ускорителна лаборатория (SLAC National Accelerator Laboratory) са представили днес нов ускорителен модул, работещ благодарение на ефекта на "килватерно ускорение", което в пъти ще намали стойността и размера на ускорителите на частици, според доклад, публикуван в списание Nature.
В началото на 1980, физиците са открили потенциален начин за намаляване на размера на съвременните ускорители на частици, чиято площ нараства до размерите на държава. Те установили, че частиците могат да се ускоряват с помощта на лазер, който превръща малките частици материя в плазма, отнемайки електроните от нея.
Майкъл Литос и неговия екип в SLAC в продължение на почти осем години работят за подобряване на системата за лазерно ускорение и търсят алтернативни начини за ускоряване на материя и антиматерия. През ноември миналата година, те направиха пробив - създадоха устройство, което нарекоха "плазмена форсираща камера", която може да ускори електроните до много високи енергии, използвайки т.нар. wake или килватерен ефект.
Тя представлява малка кутия, в центъра на която се намира плазмения облак. Всички сгъстявания на материята приличат на супа, в която има относително по-големи и по-бавно движещи се "картофи" - йони, плаващи в "супата" от малки електрони. Течната част на супата е много подвижна и може лесно да се разбърка, като се удари със "струя" от други електрони.
При такъв удар в освободената от "супата" област възниква силно електрическо поле, чието напрежение е по-високо с порядък от това, което може да се постигне по принцип в класическите ускорители на частици. И когато в определен момент в него попадне електрон или друга заредена частица, тя се ускорява до много високи енергии само за няколко секунди. Този метод за ускоряване на частиците се нарича "килватерно ускорение" или "wake ускорение", защото частиците се ускоряват с помощта на "събуждане" на вълни, генерирани в плазмата с първия сноп електрони.
Методът на ускоряването на електрони с помощта на интензивни лазерни импулси, разпространяващи се в плазмена среда е предложен още през 1979 г. от T. Tajima и J.M. Dawson. Принципът на действие на един лазерно-плазмен ускорител е показан на схемата:
Принцип на работа на лазерно-плазмения ускорител. Илюстрация сп. "Светът на физиката".
"Интензивен лазерен импулс се разпространява по дължината на плазмен канал, запълнен с водородна или хелиева плазма. Подобно на кораб, лазерният импулс оставя зад себе си килватерна вълна (wake). Това е плазмена вълна с много голяма амплитуда, която се състои от редуващи се области с висока концентрация на плазмените електрони и области, в които те практически отсъстват и преобладава положителният заряд на йоните. Тази вълна осцилира с плазмената честота. Дължината на една wake вълна е от порядъка на 10-100 mm, което открива възможността за създаването на изключително компактни ускорители на електрони с висока енергия." - сп. "Светът на физиката" (pdf).
Амплитудата на wake вълната е пропорционална на интензивността на лазерния импулс и на квадратен корен от плътността на плазмата. Може да се създават електрични полета със сила 10-100 GV/m и дори много по-силни. Тези електрични полета са хиляда и повече пъти по-силни от ускоряващите електрични полета в традиционните
ускорители на частици.
Фазовата скорост на wake вълната е много близка до скоростта на светлината.
Електрони инжектирани при подходяща фаза на wake вълната ще се захващат от нея, ще се фокусират и ще се ускоряват до високи енергии (100 GeV) на много малко разстояние. При една и съща енергия на ускоряваните частици лазерно-плазменият ускорител ще бъде с хиляди пъти по-малки размери от тези на традиционните ускорители.
През последните две десетилетия в редица лаборатории се провеждат експерименти по лазерно-плазмено ускоряване на електрони. В момента електронен сноп с висока степен на монохроматичност е ускорен до 1 GeV в плазмена структура с дължина 3 cm.
При интензивност на лазерния импулс 1023 W/cm2 wake вълната ще създава електрично поле със сила 0.5 GV/m. Това ще позволи ускоряването на електрони до енергия 50 GeV да става на разстояние от само 100 mm. В момента в линейния ускорител SLAC това става на дължина 3 км.
Този метод е сравнително компактен, но мощността в класическите ускорители е стотици и хиляди пъти по-висока. Например, при рестарта си Големият адронен колайдер (LHC) може да ускори протони или електрони до енергии 7,5 или 8 тераелектронволта (TeV).
Този подход се оказа много ефективен - новата "плазмена форсираща камера" с дължина един метър е в състояние да ускори частици антиматерия до енергии от 5 GeV. Тази стойност е 100 пъти по-голяма от това, което е възможно да се постигне с най-ефективните модели ускорители на антиматерия. Допълнително предимство е, че облакът от позитрони остава относително стабилен, така че разсейването на енергията на частиците е минимално.
Авторите се надяват този успех да проправи пътя за създаването на позитронно-електронни ускорители. Такива устройства ще произвеждат равен брой обикновени и екзотични частици, което значително ще увеличи шансовете за намиране на "новата физика" и откриването на още непознати за нас частици. Създаването на такива ускорители би било възможно само в далечното бъдеще, защото синхронизирането и интегрирането на няколко "форсиращи камери" е изключително сложно изчислително и инженерно предизвикателство.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари