Сжатие энергии: как учёные приручили хаос в ускорителях размером с ладонь

Учёные из немецкого исследовательского центра DESY сделали важный шаг в развитии технологии лазерно-плазменных ускорителей — компактной и перспективной альтернативы гигантским ускорительным установкам, которые сегодня используются в физике частиц. Традиционные ускорители громоздки и дороги: они требуют километров трасс и мощных магнитов, чтобы разгонять частицы до нужных скоростей. Но команда DESY приблизила нас к будущему, в котором такие эксперименты можно будет проводить с помощью устройств размером всего в несколько сантиметров.

Лазерно-плазменные ускорители работают не за счёт обычных магнитов, а с использованием мощных лазерных импульсов и плазменных волн. Эти волны создают электрическое поле, способное эффективно разгонять электроны. Проблема в том, что получающиеся электронные пучки пока недостаточно стабильны и предсказуемы — электроны в них могут обладать разной энергией и двигаться неравномерно, что мешает использовать такие пучки в реальных установках.

Новая работа учёных из DESY предлагает и демонстрирует решение этой проблемы — двухступенчатую систему коррекции. Сначала электронные пучки с неравномерным распределением энергии пропускаются через специальную магнитную систему под названием "чика́на". Это устройство буквально растягивает пучок во времени и сортирует электроны по их энергии: быстрые выходят вперёд, медленные — остаются сзади. Затем этот отсортированный пучок направляется в радиочастотный резонатор — прибор, похожий на те, что используются в обычных ускорителях. Он либо замедляет быстрые электроны, либо ускоряет медленные, в итоге выравнивая их энергии.

Результат впечатляющий: колебания энергии внутри пучков удалось уменьшить в 18 раз, а стабильность между разными пучками выросла в 72 раза. Это делает лазерно-плазменные ускорители сравнимыми по качеству с традиционными, но при этом они в десятки раз компактнее и потенциально дешевле.

Впервые эта технология, ранее существовавшая только на уровне идеи, была реализована в эксперименте. Как отмечают авторы, теперь путь к практическому применению лазерно-плазменных ускорителей стал реальнее. В будущем они могут использоваться, например, в качестве источника электронов для рентгеновских машин нового поколения, таких как PETRA III — установка в DESY, производящая сверхяркие рентгеновские лучи для изучения молекул, материалов и биологических образцов.

Хотя впереди ещё много работы — улучшение лазеров, перевод технологии в режим непрерывной работы — уже сейчас ясно: миниатюрные ускорители становятся всё более серьёзным претендентом на то, чтобы изменить будущее физики частиц и научных исследований.