ГэВ на столе: революция в лазерном ускорении протонов

Представьте себе, что мощные пучки протонов с энергией в гигаэлектронвольт, которые раньше можно было получить лишь на гигантских ускорителях вроде Большого адронного коллайдера, теперь будут генерироваться в установках размером с лабораторный стол. Это не фантастика, а реальность, которая становится возможной благодаря революционной разработке ученых из Университета Осаки. Команда под руководством профессора Масакацу Мураками предложила принципиально новый метод ускорения частиц — микросопловое лазерное ускорение (MNA), способное в разы уменьшить размеры ускорителей, сохранив при этом их мощность.

Этот прорыв, подтвержденный передовыми численными моделями, открывает путь к созданию компактных и высокоэффективных источников протонов, которые могут найти применение в энергетике, медицине и фундаментальной науке. В отличие от традиционных лазерных методов, ограниченных энергиями ниже 100 МэВ, технология MNA использует микроструктурированные мишени с особыми соплообразными элементами, что позволяет достичь беспрецедентных энергий — свыше 1 ГэВ — с высокой стабильностью и качеством пучка.

Суть технологии и ее преимущества

Ключевая инновация метода MNA заключается в использовании микроскопических сопел внутри мишени, которые создают мощное квазистатическое электрическое поле при облучении сверхинтенсивными лазерными импульсами. Это поле обеспечивает многоступенчатое ускорение протонов, что принципиально отличает данный подход от традиционных схем, где частицы разгоняются в плоских мишенях с ограниченной эффективностью.

Численное моделирование, проведенное на суперкомпьютере SQUID, показало, что такой механизм не только преодолевает барьер в 1 ГэВ, но и обеспечивает высокую стабильность пучка, что критически важно для практических применений. Например, в медицине это позволит создавать более компактные установки для протонной терапии, а в энергетике — приблизит реализацию лазерного термоядерного синтеза.

Перспективы и возможные применения

Влияние этой технологии может быть поистине революционным. В энергетике она способна ускорить развитие лазерного синтеза, обеспечивая эффективный нагрев и сжатие термоядерного топлива. В медицине компактные ускорители на основе MNA сделают протонную терапию доступнее, позволяя размещать установки в обычных клиниках без необходимости строительства огромных комплексов.

Кроме того, метод открывает новые горизонты для фундаментальных исследований. Ученые смогут воспроизводить в лаборатории экстремальные условия, аналогичные тем, что существуют в нейтронных звездах или вблизи черных дыр, а также изучать поведение материи в сверхсильных электромагнитных полях.

Работа японских исследователей — это не просто очередной шаг в развитии лазерного ускорения, а потенциальный переворот в целых отраслях науки и техники. Если экспериментальные установки подтвердят результаты моделирования, человечество получит мощный инструмент для решения задач, которые еще недавно казались недостижимыми без многокилометровых ускорителей. Остается лишь ждать, как скоро эта технология выйдет из стен лабораторий и изменит наш мир.