Плазменный ускоритель нового поколения: рекордный скачок в компактности и мощности
Представьте, что грандиозное сооружение длиной в километры, необходимое для разгона элементарных частиц до колоссальных энергий, можно уместить в пространство, соизмеримое с комнатой. Еще недавно это казалось фантастикой, однако прорывная работа исследователей из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе превращает эту мечту в осязаемую реальность. Ученые совершили качественный скачок в развитии плазменных ускорителей, установив мировой рекорд, — им удалось не просто резко увеличить энергию электронов на крошечном участке, но и одновременно умножить их яркость, то есть качество пучка. Этот успех, подобный сжатию могучего линейного ускорителя до размеров письменного стола, сулит переворот в фундаментальной науке, медицине и материаловедении, открывая путь к созданию невиданно компактных и мощных исследовательских инструментов следующего поколения.
В основе достижения лежит усовершенствованная технология плазменного ускорителя (PWFA). Традиционные ускорители разгоняют частицы с помощью электромагнитных полей в металлических полостях, что требует огромных размеров и затрат. В отличие от них, плазменные ускорители используют волну в ионизированном газе (плазме), создаваемую ведущим пучком электронов. Вторая группа электронов, подобно серферу, может «скользить» на гребне этой плазменной волны, получая колоссальное ускорение на дистанциях в сотни раз короче.
Уникальность подхода команды UCLA-SLAC заключается в трехступенчатой архитектуре их плазменного источника, реализованной на экспериментальной установке FACET-II в SLAC. На первой стадии мощный электронный пучок FACET-II фокусируется плазменной линзой до диаметра меньше человеческого волоса, чтобы эффективно возбудить плазму и создать в ней пузыревидный «след». Именно внутри этого пузыря происходит ключевое преобразование.
Второй этап является революционным: плотность плазмы резко падает, что вызывает стремительное расширение пузыря. Этот процесс захватывает электроны самой плазмы, которые формируют абсолютно новый, самоорганизующийся пучок. Таким образом, отпадает необходимость во внешнем втором пучке — энергия исходного пучка напрямую трансформируется в новый, что критически важно для сохранения качества. На заключительной, третьей стадии этот новорожденный пучок в течение двух метров скользит по плазменной волне, получая дополнительный мощный энергетический импульс.
Результаты, опубликованные в Nature Communications, впечатляют: в четырехметровой плазменной камере энергия вновь созданных электронов более чем удвоилась, а яркость пучка выросла десятикратно по сравнению с исходным пучком FACET-II. Для достижения аналогичного энергетического результата традиционным методом потребовался бы линейный ускоритель длиной свыше километра. Это беспрецедентное сочетание высокого коэффициента усиления и превосходного качества пучка преодолевает главный исторический компромисс в области плазменного ускорения, когда рост энергии достигался за счет ухудшения яркости.
Эксперимент подтвердил, что плазменные ускорители способны генерировать пучки качества, необходимого для практических приложений. Это открывает путь к радикальному уменьшению размеров и стоимости будущих установок для фундаментальных исследований, таких как коллайдеры частиц и источники света нового типа.
Особые надежды возлагаются на рентгеновские лазеры на свободных электронах (XFEL), подобные работающему в SLAC LCLS — одному из самых мощных инструментов для изучения атомарных и молекулярных процессов. Предложенная технология может стать основой для источников пучка с рекордной яркостью.
Это, в свою очередь, сулит прорыв в характеристиках рентгеновского излучения: значительный рост пиковой мощности, расширение энергетического диапазона и достижение аттосекундного временного разрешения. Такие усовершенствованные инструменты позволят ученым снимать «фильмы» о движении электронов в химических реакциях, глубже изучать квантовые материалы и ускорять разработку новых лекарств и энергетических технологий.
Как отметил ведущий автор работы Чаоцзе Чжан, успех стал плодом многолетней настойчивости и умения превращать трудности в возможности, оперативно находя инновационные решения. Этот прорыв демонстрирует, что эра компактных, но невероятно мощных ускорителей, питаемых плазмой, уже не за горизонтом, а становится достижимой реальностью, обещая преобразовать ландшафт научных исследований в ближайшие годы.