FAQ: Лазерно-плазменные ускорители

1. Предельный темп ускорения

Еще в первой трети ХХ века Энрико Ферми сформулировал, какова максимальная энергия электронов, которая может быть получена в земных условиях при использовании для их ускорения принципа линейного ускорения, когда электростатическое поле ускоряет заряженную частицу, например электрон. Оказывается, что это электростатическое поле не может быть бесконечно большим, потому что при определенных напряженностях возникает пробой того, что обычно называют вакуумом: создать идеальный вакуум невозможно, поскольку всегда есть отдельные частицы, которые будут ионизоваться, ускоряться. В конечном счете это приводит к образованию лавины, то есть пробою. Поэтому существует предельный темп ускорения (в МэВ/м или подобных единицах), который можно получить с помощью электростатических ускорителей. Если взять этот темп ускорения, умножить на длину экватора Земли, то получится энергия электронов порядка тераэлектронвольта. Поэтому для современной физики, для будущего ее развития крайне важно создание новых подходов к ускорению частиц. Оказывается, что использование лазеров большой интенсивности может обеспечить действительно огромный темп ускорения и на значительно меньших пространственных длинах позволяет получить огромные энергии ускоряемых частиц.

2. Кильватерная волна

Если у нас есть достаточно разреженная плазма, в которой движется электромагнитный импульс с очень большой интенсивностью поля (так называемой релятивистской интенсивностью поля порядка 1018 и более ватт на квадратный сантиметр), то в определенных условиях движение этого импульса подобно движению моторной лодки по поверхности воды. Когда катер движется по воде, то сзади возникает бурун — не те волны, что расходятся во все стороны под углом, а именно бурун, который бежит за лодкой с ее же скоростью, то есть он не отстает и не догоняет эту лодку. Это так называемая кильватерная волна, известная давно и названная так в силу того, что она возникает в том числе за большими кораблями, в кильватерном следе этого корабля. Она обладает и неприятными особенностями — в частности, она может засасывать другие корабли.

3. Отличие кильватерной волны у лазерного импульса

Оказывается, когда лазерный импульс идет сквозь плазму, сзади него тоже возникает кильватерная волна. Лазерный импульс как бы расталкивает своим электромагнитным полем электроны плазмы. В результате создается область, обедненная отрицательным зарядом, а сзади за этой полостью возникает область, обогащенная отрицательным зарядом. И такая волна электронной плотности и называется кильватерной волной. Она точно так же, как и в случае катера, бежит за лазерным импульсом, лазерный импульс движется в плазме со своей групповой скоростью, а фазовая скорость волны электронной плотности совпадает с групповой скоростью лазерного импульса.

Что это означает? Это означает, что сзади импульса формируется достаточно сильный квазистатический градиент потенциала. Между областью, обедненной электронами, и областью, обогащенной электронами, есть соответствующий потенциал, который быстро движется в плазме. И если некоторый электрон оказывается захваченным такой кильватерной волной, то он начинает ускоряться. Темп этого ускорения может быть огромным, потому что, в отличие от обычных средств, с которыми мы привыкли иметь дело в повседневной жизни, плазма состоит из электронов и ионов. В ней невозможен пробой. Поэтому поля, которые можно создать в такой плазме, огромны. Темп ускорения может достигать десяти в десятой и десяти в двенадцатой электронвольт на сантиметр. Это означает, что на одном сантиметре плазмы можно получить энергию в один гигаэлектронвольт. На полутора метрах можно уже получать тераэлектронвольты, что на Большом адронном коллайдере получается, если я не ошибаюсь, на 17 километрах. Вот разница масштабов двух подходов к ускорению.

4. Эффекты серфинга

Здесь в процессе ускорения есть множество разных интересных эффектов: опрокидывание волны, формирование плазменного пузыря, наконец, фазировка электронов и образование коллимированного пучка почти моноэнергетических электронов. Возьмем, к примеру, такой известный вид спорта, как серфинг. Если у нас есть одиночная огромная волна, на самый ее гребень забирается человек на доске, который дальше скользит вниз по склону этой волны, ускоряясь, и это будет абсолютная аналогия с тем, что происходит с ускорением электронов. Вот эта огромная волна — это та самая кильватерная волна, а впрыснутый электрон — это человек на доске. Он движется вниз по склону, получая огромное ускорение. Более того, опрокидывание электронной волны есть не что иное, как знакомое всем нам образование волн с «барашками» — белыми гребнями.

5. Преимущества лазерно-плазменных ускорителей

В настоящий момент уже получены квазимоноэнергетические пучки электронов с малой расходимостью и достаточно большим зарядом. Их характеристики напрямую можно сравнивать с тем, что получается в линейных ускорителях. Так, энергии электронов достигают полутора-двух гигаэлектронвольт. Это не очень много, но тем не менее это уже то же самое, что и в источниках синхротронного излучения, размер кольца которого порядка сотен метров. То есть лазерно-плазменные ускорители в первую очередь значительно дешевле, значительно проще. Самое важное их преимущество — это размер. Такие лазерно-плазменные ускорители можно ставить в научных лабораториях, чтобы ученым не приходилось приезжать и получать какие-то сеансы работы на крайне дорогих и уникальных ускорительных комплексах. Кроме того, и уже существующие и строящиеся современные лазерные проекты позволяют в ближайшей перспективе говорить об энергии электронов в тераэлектронвольты, то есть о том, что на расстояниях порядка 10 метров или меньше можно будет получить за счет нескольких стадий ускорения энергию частиц в тераэлектронвольт. Конечно, пока речь идет об электронах, а не о протонах, это немного другое, поэтому электронный лазерно-плазменный ускоритель — это не совсем Большой адронный коллайдер. Тем не менее это уже энергия того же порядка, что получают в лучших современных электронных ускорителях.

Таким образом, концепция лазерно-плазменного ускорения выглядит на настоящий момент крайне привлекательной, и очевидно, что эта технология имеет огромное будущее и с точки зрения многочисленных приложений, и с точки зрения фундаментальной физики.