Лазерно-плазменный ускоритель с «летящим фокусом»: прорыв в компактных коллайдерах

Исследователи впервые получили прямое изображение нового типа лазерно-плазменного кильватерного поля, известного как «летящий фокус». Этот прорыв приближает создание компактных сверхмощных ускорителей частиц, которые могут разгонять электроны до энергий, недостижимых для традиционных коллайдеров. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters и выполнена международной группой учёных под руководством Лоуренса Ливерморской национальной лаборатории (LLNL).

Лазерно-плазменные ускорители: от идеи к «летящему фокусу»

Традиционные ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер, используют радиочастотные полости для разгона частиц, что требует огромных размеров и стоимости. Лазерно-плазменные ускорители предлагают альтернативу: мощный лазерный импульс, проходя через плазму, создаёт кильватерное поле — волну зарядовой плотности, которая может ускорять электроны с градиентами в тысячи раз выше, чем в обычных ускорителях. Однако до сих пор этот процесс был ограничен по энергии из-за того, что лазерный импульс быстро дефокусируется и теряет энергию.

Концепция «летящего фокуса» (flying focus) была предложена несколько лет назад. Вместо того чтобы фокусировать лазер в одной точке, используется специальная оптика, заставляющая фокус лазерного пучка двигаться вдоль плазмы со скоростью, близкой к скорости света. Это позволяет поддерживать интенсивность лазера на протяжении большего расстояния и создавать более длинные и стабильные кильватерные поля.

Как работает «летящий фокус» и что увидели учёные

В эксперименте исследователи использовали лазерную установку Titan в LLNL. Они применили аксикон — коническую линзу, которая создаёт кольцевой лазерный пучок. При интерференции кольцевого пучка с плазмой формируется движущийся фокус. Для визуализации кильватерного поля учёные использовали методику зондирования коротким импульсом — фемтосекундным лазерным импульсом, который рассеивается на плазменной волне. Полученные изображения с высоким разрешением впервые показали, как именно выглядит кильватерное поле в режиме «летящего фокуса».

На снимках видно, что поле имеет характерную структуру в виде цепочки пузырей — областей пониженной плотности электронов, за которыми следуют области повышенной плотности. Эта структура стабильна на протяжении нескольких миллиметров, что значительно превышает длину обычного кильватерного поля. Исследователи подтвердили, что скорость движения фокуса можно контролировать, изменяя параметры лазера и аксикона, что открывает путь к точной настройке ускорителя.

Технические детали: как достигается стабильность и энергия

Ключевое преимущество «летящего фокуса» — возможность синхронизировать движение фокуса с группой ускоряемых электронов. В обычных лазерно-плазменных ускорителях электроны быстро выпадают из фазы ускорения из-за различия скоростей. В новом режиме фокус движется вместе с электронным сгустком, что позволяет удерживать его в ускоряющей фазе на большем расстоянии. Моделирование показывает, что такой подход может увеличить максимальную энергию электронов до 10 ГэВ на одном метре плазмы, тогда как современные лазерно-плазменные ускорители достигают лишь нескольких ГэВ.

Эксперимент проводился при плотности плазмы около 10^19 см⁻³ и мощности лазера порядка 100 тераватт. Длина плазменной мишени составляла 3 мм. Учёные планируют увеличить длину взаимодействия до нескольких сантиметров, что позволит достичь энергий в десятки ГэВ. Это уже сопоставимо с энергиями, получаемыми на больших ускорителях, таких как SLAC, но в гораздо меньшем масштабе.

Какие применения откроет новый лазерно-плазменный ускоритель?

Новый режим ускорения имеет широкий спектр применений. Прежде всего, это физика высоких энергий: компактные ускорители могут стать основой для будущих коллайдеров, которые будут дешевле и меньше существующих. Например, проект лазерно-плазменного коллайдера на 1 ТэВ может уместиться в лаборатории размером с футбольное поле, тогда как традиционный кольцевой коллайдер потребовал бы десятки километров.

Кроме того, такие ускорители могут использоваться для генерации ярких рентгеновских лучей и гамма-излучения, что необходимо для материаловедения, биологии и медицины. В частности, лазерно-плазменные источники могут стать основой для компактных протонных терапий рака, где требуются пучки с энергией порядка 200 МэВ. Сейчас такие установки занимают целые здания, а новый подход позволит сделать их настольными.

Для российской науки это также актуально: в России есть несколько групп, работающих над лазерно-плазменным ускорением, например, в Институте прикладной физики РАН и МГУ. Им будет интересен этот результат, так как он открывает новые возможности для собственных экспериментов.

Что будет дальше

Следующий шаг — демонстрация ускорения электронов в режиме «летящего фокуса» с измерением их энергии. Учёные из LLNL уже готовят такой эксперимент. Параллельно ведутся работы по увеличению длины плазмы и стабильности лазера. Если всё пойдёт по плану, в ближайшие 5–10 лет могут появиться компактные ускорители с энергией 10–100 ГэВ, которые найдут применение в фундаментальной науке и прикладных областях.

Итог

Прямая визуализация кильватерного поля в режиме «летящего фокуса» — важный шаг к созданию практичных лазерно-плазменных ускорителей. Этот метод обещает компактные, дешёвые и мощные источники частиц и излучения, которые могут изменить физику высоких энергий и многие другие области. Следите за развитием: возможно, именно этот подход станет основой для следующего поколения ускорителей.