ПЛАЗМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ

В новых ускорителях элементарные частицы будут накапливать колоссальную энергию, скользя на гребнях плазменных волн.

С помощью ускорителей элементарных частиц физики пытаются разгадать фундаментальные загадки природы. В этих гигантских установках заряженные частицы разгоняют почти до скорости света и затем сталкивают их друг с другом, воссоздавая условия, существовавшие в момент рождения Вселенной. Анализируя результаты столкновений, ученые стремятся понять, как связаны между собой, казалось бы, несопоставимые силы и частицы, и как можно было бы описать их взаимодействие в рамках единой теории. Но чем ближе физики подходят к разгадке сокровенных тайн творения, тем более мощные и дорогие ускорители требуются для проведения экспериментов.

Самый мощный ускоритель строится сейчас в Европейской лаборатории физики элементарных частиц (CERN). Речь идет о Большом адронном коллайдере (LHC) диаметром 8,6 км, который будет введен в эксплуатацию в 2007 г. Протоны в нем будут разгоняться под действием семи триллионов вольт, и их столкновения расскажут нам, откуда берется масса частиц (см. «Загадки массы», «ВМН», №10, 2005 г.). С помощью уже действующих установок ученые пытаются получить кварк-глюонную плазму (исходное состояние материи) и разобраться, почему во Вселенной вещества больше, чем антивещества. Сегодня во всех ускорителях используется старая, громоздкая технология разгона заряженных частиц СВЧ-излучением.

Плазменные ускорители разгоняют электроны до нескольких сотен МэВ и при этом помещаются на лабораторном столе.

ОБЗОР: ПЛАЗМЕННЫЙ СЕРФИНГ Десятилетиями для ускорения элементарных частиц до околосветовых скоростей использовались СВЧ-резонаторы. Из них состоит и Большой адронный коллайдер (LHC) диаметром 8,6 км, который будет запущен в 2007 г. Существенно уменьшить размеры и стоимость ускорителей высокой энергии позволит технология разгона электронов и позитронов, скользящих на вершине электромагнитной волны, возбуждаемой в плазме. Новая методика уже была проверена в лабораторных экспериментах. На основе плазменных устройств можно будет создавать настольные ускорители низкой энергии для проведения исследований в области материаловедения, структурной биологии, ядерной медицины и стерилизации пищевых продуктов.

Последние три четверти века мощность ускорителей каждые 10 лет возрастала примерно на порядок, что позволило ученым сделать множество фундаментальных открытий в ядерной физике и физике элементарных частиц. Но продолжится ли такой прогресс? Ускорители на СВЧ-излучении, похоже, достигли предела своих возможностей. В 1993 г. конгресс США прекратил финансирование сверхпроводникового суперколлайдера диаметром 28 км и стоимостью $8 млрд., который был бы вдвое мощнее, чем LHC. Теперь физики надеются, что следующим после LHC будет построен линейный коллайдер длиной 30 км, но нет никакой уверенности, что многомиллиардный проект не разделит судьбу суперколлайдера. Как нельзя более кстати появились новые методы ускорения частиц с помощью плазмы, применение которой позволит значительно уменьшить размеры и стоимость ускорителей для физики самых высоких энергий (100 ГэВ и больше).

Помимо гигантских ускорителей, работающих на предельно высоких энергиях, существуют машины и поскромнее. Они используются в материаловедении, структурной биологии, ядерной медицине, а также для изучения термоядерного синтеза, стерилизации пищевых продуктов, переработки ядерных отходов и лечения некоторых видов рака. В таких установках энергия электронов или протонов относительно невелика (от 100 МэВ до 1 ГэВ), но, тем не менее, они занимают много места. В ближайшем будущем им на смену скорее всего придут настольные плазменные ускорители.

РЕЖИМ ПУЗЫРЯ

В ускорителе с кильватерным полем используется ускоряющая сила, создаваемая возмущенным распределением зарядов, которое называют кильватерным полем. Ведущий лазерный или электронный импульс выталкивает электроны плазмы (белые) на периферию, оставляя за собой область положительного заряда (зеленая). Она втягивает отрицательно заряженные электроны назад, и позади ведущего импульса формируется электронный пузырь. Вдоль оси распространения пучка электрическое поле (изображено внизу) напоминает очень крутую, готовую обрушиться океанскую волну. Кильватерное поле придает мощное ускорение ведомому электронному импульсу, захваченному задней частью пузыря.

СВЧ-излучение и плазма

Прежде чем приступить к рассмотрению новой технологии, познакомимся с классическими ускорителями поближе. Во-первых, они ускоряют либо легкие элементарные частицы (электроны и позитроны), либо тяжелые (протоны и антипротоны). Во-вторых, частицы могут разгоняться либо за один проход по прямой, либо за несколько круговых оборотов. Например, LHC представляет собой кольцевую установку, в которой будут сталкиваться два пучка протонов. После LHC физики надеются построить линейный коллайдер электронов и позитронов с энергией в точке столкновения порядка 0,5 ТэВ. При таких энергиях электроны и позитроны должны разгоняться по прямой, поскольку круговое ускорение привело бы к чрезмерным энергетическим потерям на синхротронное излучение. Плазменные ускорители лучше всего подходят именно для линейного ускорения легких частиц.

Обычный линейный коллайдер ускоряет частицы электрическим полем, которое движется синхронно с ними. В объемном резонаторе с замедленной волной (металлическая трубка с периодически расположенными диафрагмами) с помощью мощного СВЧ-излучения создается электрическое поле. При напряженности поля от 20 МВ/м до 50 МВ/м происходит электрический пробой: с металлических стенок резонаторов проскакивают электрические искры, и ток в них резко падает. Поскольку напряженность электрического поля должна быть ниже порога пробоя, для разгона частиц до больших энергий требуются большие расстояния. Например, чтобы получить триллионвольтный пучок частиц, необходим ускоритель длиной 30 км. Если бы мы не были ограничены пределом электрического пробоя, его можно было бы сделать более компактным.

В ускорителях нового типа роль ускоряющей структуры играет ионизированный газ, т.е. плазма. Одним из основных элементов конструкции становится электрический пробой, поскольку он необходим для ионизации газа. В качестве источника энергии используется не СВЧ-излучение, а луч лазера или пучок заряженных частиц.

Казалось бы, ни то, ни другое не подходит для ускорения элементарных частиц: и в лазерном луче, и в потоке заряженных частиц есть сильные электрические поля, но их векторы перпендикулярны направлению распространения. А ведь в ускорителе электрическое поле должно быть продольным, т.е. направленным в сторону движения разгоняемых частиц. К счастью, когда лазерный луч или пучок заряженных частиц проходит через плазму, в ней может возникать мощное продольное электрическое поле.

Плазма в целом электрически нейтральна и содержит равные количества отрицательных (электроны) и положительных (ионы) зарядов. Импульс мощного лазера или сгусток частиц создают в плазме возмущение. По существу, луч срывает легкие электроны с более тяжелых положительных ионов, в результате чего возникают области избытка положительных и избытка отрицательных зарядов (см. рис. сверху). Возмущение образует волну, которая перемещается в плазме почти со скоростью света. Мощное электрическое поле, направленное от области положительного заряда к области отрицательного, ускоряет попавшие в него заряженные частицы.

Ионизированный газ может поддерживать ускоряющие электрические поля фантастической величины. Например, в плазме, содержащей 10¹⁸ электронов в 1 см³ (довольно обычная величина), может возникнуть волна с пиковым электрическим полем -100 ГВ/м — в тысячу раз больше, чем в обычном ускорителе на СВЧ-излучении. Однако существует принципиальная проблема: типичная длина СВЧ-волны составляет 10 см, а длина плазменной волны — всего 30 мкм, и разместить в ней сгусток ускоряемых электронов очень сложно.

Описанный метод ускорения элементарных частиц с помощью плазмы был предложен еще в 1979 г. Джоном Доусоном (John M. Dawson) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA). Но прошло почти полтора десятка лет, прежде чем был поставлен эксперимент, в котором электроны разгонялись в волнах плазмы. Автор статьи вместе с коллегами из UCLA однозначно решил эту задачу в 1993 г. Особого внимания заслуживают два новых вида ускорителей: с лазерным и с плазменным кильватерными полями. Лазерное кильватерное поле найдет широкое применение в настольных ускорителях небольшой мощности, а плазменное — в сверхмощных коллайдерах, которые будут обеспечивать наибольшую энергию столкновений.

УСКОРИТЕЛЬ С ЛАЗЕРНЫМ КИЛЬВАТЕРНЫМ ПОЛЕМ

В настольном плазменном ускорителе высокоинтенсивный луч лазера фокусируется на сверхзвуковой струе газообразного гелия (слева). Световой импульс создает в струе газа плазму, и кильватерное поле ускоряет некоторые из ее электронов. Получившийся электронный импульс коллимируется и проходит через магнитное поле, отклоняющее частицы соответственно их энергиям. Такой ускоритель может разместиться на столе размером 1,2 м на 1,8 м. Снимки электронных пучков (справа), сделанные в Лаборатории прикладной оптики Французского политехнического института, демонстрируют, как было преодолено главное препятствие. Хотя некоторые электроны ускорялись до 100 МэВ, нижняя граница диапазона энергий доходила до 0 МэВ (a). Кроме того, пучок расходился на целый градус. Напротив, в экспериментах с недавно открытым режимом пузыря удалось получить хорошо сфокусированный моноэнергический пучок с энергией около 180 МэВ (б).

Импульсы света

Сегодня мы можем говорить о создании настольных плазменных ускорителей, поскольку в нашем распоряжении есть компактные титан-сапфировые лазеры, генерирующие ультракороткие световые импульсы мощностью до 10 ТВт. Когда такой импульс направляют на струю гелия длиной 2 мм, он мгновенно срывает с молекул газа электроны, создавая плазму.

Световое давление лазерной «пули» настолько велико, что электроны «выдуваются» наружу во всех направлениях. Покинутые ими ионы притягивают их обратно, и электроны устремляются к оси, вдоль которой распространяется лазерный импульс, проскакивают ее и снова движутся наружу. В результате возникают волнообразные колебания, которые называются лазерным кильватерным полем.

Электроны образуют своеобразный пузырь диаметром приблизительно 10 мкм. Около его фронта движется лазерный импульс, создающий плазму. Внутренняя часть пузыря состоит из ионов, а электрическое поле в нем напоминает чрезвычайно высокую океанскую волну. Возможны и другие конфигурации, но в режиме пузыря ускорение электронов обеспечивается наиболее надежно.

Когда электронная пушка впрыскивает электроны в то место плазмы, где они уже есть в избытке, новые частицы под действием электрического поля устремляются к положительным зарядам внутри пузыря. Волна движется вперед со скоростью света, поэтому инжектируемые электроны должны иметь околосветовую скорость, чтобы поймать волну и получить от нее дополнительную энергию. Согласно теории относительности дальнейшее увеличение энергии электронов происходит главным образом за счет увеличения их массы, а не скорости. Поэтому они не опережают плазменную волну, а как бы скользят на ее гребне, приобретая все большую энергию. Некоторые электроны самой плазмы точно так же захватываются и ускоряются, словно пена, подхваченная гребнем океанской волны.

В 2002 г. Виктор Малка (Victor Malka) из Лаборатории прикладной оптики Французского политехнического института показал, что с помощью управляемого лазером кильватерного поля можно создавать хорошо сфокусированный пучок, содержащий 108 электронов. К сожалению, диапазон энергии ускоренных электронов оказался очень широк (от 1 МэВ до 200 МэВ). В большинстве случаев требуются пучки электронов с одинаковой энергией.

Вскоре для получения низкоэнергетических электронных пучков можно будет использовать настольные плазменные ускорители.

Большой разброс энергии обусловлен тем, что электроны захватываются волной поля в разных точках и в разное время. В обычном ускорителе частицы вводятся в одном месте недалеко от пика электрического поля. Ученые считали, что такой точный впрыск в ускорителе с лазерным кильватерным полем невозможен, т.к. ускоряющая структура имеет микроскопические размеры и существует в течение очень короткого времени. Однако в 2004 г. три конкурирующие группы исследователей из США, Франции и Великобритании одновременно обнаружили новый физический режим, в котором самозахваченные электроны движутся как единое целое и достигают одной и той же энергии. Все три группы использовали лазеры более высокой мощности, чем прежде (от 10 ТВт и выше). Когда столь мощный лазерный импульс проходит через плазму, он становится короче и же и создает большой электронный пузырь, захватывающий электроны из плазмы. Таких самозахваченных электронов оказывается настолько много, что они отбирают у кильватерной волны довольно много энергии, и захват новых частиц прекращается. Самые энергичные электроны в авангарде сгустка опережают волну и начинают терять энергию, тогда как отставшие электроны с меньшей энергией продолжают ее набирать.

В результате получается пучок электронов с узким распределением энергии. Например, в экспериментах Малки ее разброс был снижен со 100% до 10% при интенсивности пучка порядка 109 электронов. Заметно уменьшилось и его угловое рассеяние: оно оказалось сопоставимым с угловым рассеянием пучков, создаваемых лучшими линейными СВЧ-ускорителями. Полученные пучки электронов фактически представляли собой импульсы длительностью всего 10 фс, т.е. были самыми короткими из когда-либо созданных в ускорителях. Поэтому их можно использовать в качестве источника излучения для изучения сверхбыстрых химических и биологических процессов. Если такой электронный импульс направить на тонкую металлическую мишень, то можно получить столь же короткий рентгеновский импульс. Вероятно, вскоре рентгеновское излучение, получаемое с помощью настольных ускорителей, найдет множество применений.

В принципе, ускоритель с лазерным кильватерным полем может разгонять электроны до энергии порядка 1 ГэВ, но для этого нужно получить плазменную волну, которая сохраняется на протяжении целого сантиметра, а не пары миллиметров. Чтобы возбуждающий ее лазерный луч как можно дольше сохранял свою интенсивность, необходимо создать для него плазменный световод. Наиболее перспективным считается метод предварительного формирования плазменного световода, который разрабатывают исследователи из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли. В этом методе плотность электронов около оси плазмы ниже, чем на периферии. Поэтому коэффициент преломления в центре плазменного канала оказывается выше, чем на периферии, и канал ведет себя как оптоволокно, направляющее лазерный луч. Эксперименты в Беркли уже показали, что такие каналы позволяют получить моноэнергетические пучки электронов. Дальнейшее усовершенствование технологии, вероятно, приведет к появлению настольных плазменных ускорителей ГэВ-класса.

ДОЖИГАТЕЛЬ ПЛАЗМЫ

Ускорение в плазменном кильватерным поле недавно было продемонстрировано на Стэнфордском линейном коллайдере (SLC). В плазменной установке энергия пучка электронов увеличивалась на 4 ГэВ на пути всего 10 см, для чего на обычном СВЧ-ускорителе потребовалась бы секция длиной 200 м. В специальной печи испаряются таблетки лития. Интенсивный электронный импульс (красный) ионизирует пар и создает плазму. Он «выдувает» электроны плазмы (синие) наружу, формируя позади себя возмущенное распределение зарядов, создающее ускоряющее поле. Электроны, находящиеся в кильватерном поле, испытывают мощное ускорение (оранжевые стрелки).

В отсутствие лития (a) пучок электронов, разогнанных SLC до 30 ГэВ, был моноэнергетическим (энергия откладывается по вертикали). После прохождения через 10 см литиевой плазмы (б) многие частицы пучка потеряли энергию на создание плазменного кильватерного поля (красный хвост), которое ускорило небольшое число электронов в задней части импульса до более высокой энергии (синяя область вверху).

Приближение к предельной энергии

А нельзя ли использовать компактные плазменные ускорители для разгона элементарных частиц до энергий порядка 1 ТэВ? В принципе, можно было бы последовательно соединить сотни компактных лазерно-плазменных ускорительных модулей, дающих приращение энергии по нескольку ГэВ. Аналогичная каскадная схема используется для получении высоких энергий с помощью традиционных СВЧ-ускорителей. Однако каскадирование плазменных ускорителей сопряжено с огромными трудностями.

Сегодня предпочтение отдается методу дожигания плазмы, при котором ускоритель с плазменным кильватерным полем удваивает энергию частиц, разогнанных обычным ускорителем. Последний выдает два импульса электронов или позитронов с энергией порядка нескольких сотен ГэВ. В первом импульсе (его называют ведущим) содержится в три раза больше частиц, чем во втором (ведомом). И длительность каждого импульса, и временной интервал между ними обычно составляет 100 фс. Как и в лазерном ускорителе, плотный ведущий импульс попадает в менее плотную плазму и создает пузырь с кильватерным полем. Процесс протекает так же, как в ускорителе с лазерным кильватерным полем, но электроны разбрасываются не световым давлением луча, а электрическим полем ведущего импульса. Затем ведомый импульс попадает в электронный пузырь и быстро ускоряется продольной составляющей полученного электрического поля.

Ускоритель с плазменным кильватерным полем вызвал большой интерес у физиков, занимающихся совершенствованием ускорительной техники. Столь привлекательным его сделали достижения ученых из UCLA, Университета Южной Калифорнии и Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC). Прежде всего им удалось создать плазменный ускоритель метровой длины как для электронов, так и для позитронов. Большое искусство потребовалось для того, чтобы научиться поддерживать устойчивость ведущих пучков на таком расстоянии. Кроме того, физики продемонстрировали увеличение энергии электронов более чем на 4 ГэВ на дистанции всего 10 см. Самое главное, что нет никаких принципиальных препятствий для еще большего увеличения энергии: достаточно просто удлинить участок с плазмой.

Наконец, ученые показали, что плазма улучшает фокусировку электронного или позитронного луча как минимум в два раза. Это весьма существенно для коллайдеров, в которых ускоренные частицы должны быть сфокусированы на очень маленьком пятнышке. Чем сильнее сосредоточены пучки, тем больше происходит столкновений, количество которых является столь же важным параметром коллайдера, как и их энергия.

Перечисленные успехи позволяют задуматься об использовании плазменной схемы для достижения верхней границы энергий. Однако сначала технику следует проверить на работающем ускорителе, используя его как первую ступень. Например, пару плазменных устройств длинной 10 м можно было бы установить по обе стороны от точки столкновения на Стэнфордском линейном коллайдере, чтобы увеличить энергию частиц с 50 ГэВ до 100 ГэВ. Хотя проект еще не профинансирован, SLAC уже предложил министерству энергетики построить линию SABER для ускорения частиц до высоких энергий, чтобы продолжить исследования.

На участке длиной 10 см плазменный ускоритель увеличивает энергию электронов на 4 ГэВ.

Мы рассмотрели принцип действия ускорителей применительно к разгону электронов. Чтобы ускорять позитроны или другие положительно заряженные частицы, нужно перевернуть электрическое поле. Например, можно использовать в качестве ведущего пучок позитронов. Его положительный заряд будет затягивать электроны плазмы внутрь, а они, как и прежде, будут проскакивать центральную ось и образовывать пузырь. При этом направление электрического поля изменится на противоположное тому, которое наблюдалось бы в случае электронного импульса, что и требуется для ускорения ведомого импульса позитронов.

Плазменные установки могут ускорять и более тяжелые частицы, например, протоны. Однако тут есть одно важное требование: вводимые частицы должны двигаться почти со скоростью света, чтобы не отстать от плазменной волны. Это означает, что энергия ускоряемых протонов должна быть не меньше нескольких ГэВ.

Технология плазменных ускорителей развивается семимильными шагами. Многие принципиальные проблемы уже решены, но создание конкретных устройств пока сопряжено с серьезными трудностями. В частности, инженерам еще предстоит повысить эффективность ускорителя (долю энергии ведущего импульса, которая передается ускоряемым частицам), точность настройки пучков (в точке столкновения они должны быть выровнены с точностью до единиц нанометров) и частоту повторения рабочих циклов (количество импульсов, ускоряемых за единицу времени).

Создателям обычного ускорителя потребовалось 75 лет, чтобы довести энергию столкновения электронов с позитронами до 200 ГэВ. Технология плазменных ускорителей развивается гораздо быстрее, и ученые надеются выйти за пределы возможностей СВЧ-систем для физики высоких энергий всего за пару десятилетий.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА: