Физики прошли важную веху на пути к настольным ускорителям частиц

Японские ученые сделали важный шаг на пути к миниатюризации ускорителей частиц. В будущем эти устройства будут не больше настольного компьютера.

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Research. Он основан на так называемом лазерном ускорении следа. Идея, не вдаваясь в научные дебри, такова. Газовая струя облучается лазером и превращается в плазму. Проходя через него, луч оставляет след, как лодка на море. Волны в плазме движутся почти со скоростью света, а в траншеях между ними существует колоссальное (более чем в 1000 раз сильнее, чем в больших ускорителях) электрическое поле, ускоряющее электроны.

"Наша работа включает в себя ряд значительных улучшений по сравнению с предыдущими методами, что позволяет нам добиться усиления свободных электронов в крайнем ультрафиолетовом диапазоне. Мы использовали формирование лазерного импульса для повышения точности фокусировки. В сочетании со специально разработанными сверхзвуковыми газовыми соплами это позволяет добиться более стабильных волновых фронтов и точного управления источником плазмы", - сказал ведущий автор Чжан Цзинь.

Для испытаний был построен прототип лазерно-плазменного ускорителя, который ускорял электроны на расстояние миллиметров до ~400 МэВ. Полученный луч пропускался через двухметровый ондулятор, который усиливал синхротронное излучение в крайнем ультрафиолетовом (XUV) диапазоне в 20 раз.

Эксперименты показали, что ускорение лазерного следа может достигать уровня, сравнимого с практическими высококачественными высокоэнергетическими ускорителями электронов размером в сотни метров.

"Долгое время ускорение лазерного следа считалось нецелесообразным из-за трудностей со стабилизацией плазмы, от которой оно зависит. Нам удалось значительно улучшить стабильность и качество наших электронных пучков, что существенно уменьшит размеры будущих ускорителей и откроет возможность создания компактных рентгеновских лазеров на свободных электронах", - объясняет научный руководитель Томонао Хосокай.

Демонстрация работы лазера на свободных электронах в XUV-диапазоне стала важным шагом на пути к переходу к более коротким длинам волн, что в конечном итоге позволит создать компактные рентгеновские лазеры. Эти исключительно мощные источники генерируют когерентное рентгеновское излучение в 10 миллиардов раз ярче Солнца в фемтосекундных импульсах. В настоящее время их использование ограничено крупными научными центрами, однако миниатюризация таких устройств открыла бы возможность их использования в обычных лабораториях.