Ученые из лаборатории Беркли продвигаются вперед в разработке ускорителей частиц нового поколения
Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) завершили масштабное расширение одной из самых мощных в мире лазерных систем, создав новые возможности в исследованиях ускорителей для будущего физики высоких энергий и других областей. Расширение создало вторую линию луча для петаваттного лазера в Центре лазерных ускорителей Berkeley Lab (BELLA), что позволило разработать ускорители частиц следующего поколения для приложений в науке, медицине, безопасности и промышленности. Этим летом была введена в эксплуатацию вторая линия луча, которая стала кульминацией нескольких лет планирования, проектирования и инженерных разработок BELLA и инженерных команд.
«Мы рады видеть, что строительство завершено, и очень хотим начать множество захватывающих экспериментов, которые возможны благодаря второй линии луча», — сказал Эрик Эсари, директор центра BELLA.
Использование света для перемещения частиц
Традиционные ускорители используют радиочастотные электромагнитные поля для постепенного ускорения частиц на расстояниях в десятки километров и в результате имеют огромные размеры и очень дороги. Например, Большой адронный коллайдер в ЦЕРН, известный международный ускоритель частиц, ускоряет частицы по круговой траектории длиной более 16 миль, что является монументальным достижением, стоимость строительства и эксплуатации которого составляет миллиарды долларов.
В центре BELLA ученые ускоряют заряженные частицы электрическими полями, создаваемыми мощным лазером, взаимодействующим с плазмой, создавая так называемый лазерно-плазменный ускоритель (LPA). Команда использует лазер мощностью в один петаватт, который производит луч очень коротких импульсов или «пуль» света, один в секунду, каждый из которых примерно в сто раз мощнее типичной молнии. Когда лазерный луч проходит через плазму (газоподобная субстанция из заряженных частиц), он создает движущуюся волну, и заряженная частица, помещенная в эту волну, продвигается вперед, как серфер на океанской волне. Этот подход «уэйкфилда» может обеспечить ускорение в тысячу раз большее, чем у обычных ускорителей, что делает LPA многообещающим кандидатом для следующего поколения меньших и менее дорогих ускорителей.
Мощный инструмент для разработки ускорительных технологий
Вторая линия луча была спроектирована так, чтобы ее можно было легко настраивать, и она могла создавать широкий диапазон размеров лазерного пятна с длительностью импульса и энергией импульса, которые можно изменять независимо. Две линии пучка предназначены для использования в тандеме, что делает систему мощным и универсальным инструментом для развития науки и технологий ускорителей. Для создания новой линии луча команда отделила часть основного лазерного луча и пропустила его через ряд оптических устройств, чтобы создать второй луч коротких мощных световых импульсов, которые могут создать второе кильватерное поле.
В частности, система была разработана для того, чтобы позволить команде разместить несколько модулей LPA для достижения высоких энергий электронного пучка, необходимых для коллайдеров частиц, используя кильватерное поле второй линии луча для дальнейшего ускорения частиц, выходящих из первой. В настоящее время проводятся первоначальные эксперименты для достижения этой цели. В своем долгосрочном видении команда предлагает объединить дополнительные модули с лазерным питанием для создания ускорителей чрезвычайно высоких энергий, позволяющих совершать физические открытия следующего поколения с меньшими затратами и размерами.
Например, методы повышения энергоэффективности LPA также могут быть изучены с помощью двухлучевых линий. Второй лазерный импульс на линии луча может быть настроен на поглощение любой оставшейся энергии в плазме на первой линии луча, которая не используется в процессе ускорения, и затем направляется в систему рекуперации энергии. Марлен Тернер, ученый из Центра БЕЛЛА, получила престижную награду Министерства энергетики за раннюю карьеру за работу над этой концепцией. «Без второй линии луча мои исследования, направленные на снижение энергопотребления и воздействия будущих плазменных коллайдеров на окружающую среду, были бы невозможны», — сказал Тернер.
Двойные лучи могут использоваться и в других конфигурациях. Например, вторую линию луча можно использовать для ускорения частиц, чтобы они рассеялись от частиц из первой линии луча, что позволит физикам исследовать возникающую экзотическую физику.
«Точность, которую обеспечивают эти две линии лазерных лучей, сочетающая фемтосекундную синхронизацию и пространственную точность микронного масштаба, беспрецедентна для пиковых уровней мощности петаваттного класса и позволит проводить эксперименты по постановке LPA, а также другие достижения в области ускорения плазмы, такие как лазерная адаптация плазменные ускоряющие структуры, лазерные методы инжекции частиц, производство фотонов высокой энергии за счет лазерного рассеяния и фундаментальные исследования в области квантовой электродинамики сильного поля», — сказал Тони Гонсалвес, ведущий научный сотрудник петаваттной группы BELLA. "Это большое дело."
Экзотическая физика и повседневные приложения
Коллайдеры частиц — это исследовательские инструменты, которые ученые используют для изучения структуры материи, сталкивая частицы вместе с достаточной энергией, чтобы разорвать их на части, помогая нам понять, из чего состоит Вселенная и силы, которые удерживают ее вместе. Конечной целью новой линии луча является разработка новой ускорительной технологии, которая позволит коллайдерам достигать более высоких энергий. Эти вопросы выходят далеко за рамки изучения видимой материи, которая на самом деле составляет небольшую часть Вселенной. Во Вселенной невидимой темной материи в пять раз больше, чем видимой материи, и ускорители более высоких энергий могут производить тяжелые частицы темной материи, чтобы можно было изучать их свойства.
Сфера национальной безопасности также обращает внимание на эти разработки в области новой технологии ускорителей. Существующие технологии проверки ядерных материалов в портах, для ядерных договоров и для других применений имеют ограниченную точность. Однако технологию ускорителей на основе лазеров можно использовать для производства настраиваемых гамма-лучей или высокоэнергетических мюонов, необходимых для точного обнаружения ядерных соединений или других материалов, и эта технология может поместиться в небольшом портативном устройстве.
Фундаментальные исследования в области материаловедения также сильно выиграли бы от разработки компактных источников коротковолнового света, таких как рентгеновские лучи, управляемые LPA. Поскольку LPA по своей природе создает короткие электронные сгустки, порядка фемтосекунд, они идеально подходят для исследования материалов в сверхбыстрых временных масштабах.
Еще одно интересное применение лазерного ускорения — это лучевая терапия рака, когда медицинское сообщество обнаруживает, что более короткие дозы более сильного излучения наносят меньше вреда здоровым тканям, что известно как «эффект вспышки». Эти лазерные системы могут произвести революцию в лучевой терапии.