Електронен импулс, който е 6 000 пъти по-мощен от мълнията: новият рекорд на физиците

Как са успели да компресират времето до една квадрилионна част от секундата?

Физици от лабораторията SLAC в Менло Парк поставиха нов рекорд в областта на ускорителните технологии. Те успяха да създадат поток от електрони с безпрецедентни стойности на тока и пиковата мощност. Резултатите от изследването са публикувани в списание Physical Review Letters.

Досега мощните лазери оставаха основен инструмент за редица научни експерименти – от разцепване на атомите до моделиране на условията във вътрешността на планетите. Сега учените разполагат с нов инструмент: електронни лъчи, достигащи подобна мощност, откриват принципно нови възможности за изследвания.

Основният принцип на съоръжението изглежда прост: трябва да се вмести максимален електрически заряд за минимално време. На практика екипът на SLAC успява да постигне ток от 100 килоампера, с продължителност само една квадрилионна част от секундата. За сравнение, типичният домашен контакт подава ток от около 16 ампера, докато мълнията създава ток от около 30 килоампера (хиляди ампера).

Ключовият елемент на експеримента е пръстеновидният ускорител, който наподобява състезателна писта за електрони. Вътре в съоръжението частиците се ускоряват от мощни магнити във вакуумна камера, където се „плъзгат“ по радиовълните като сърфист на гребена на вълната. Изследователите са ускорили електроните до скорост, която е 99% от скоростта на светлината – това е около 297 000 километра в секунда.

При завоите на трасето електроните се принуждават да се отклоняват от правия път, което ги кара да се забавят и да губят енергия. За да решат този проблем, физиците са формирали електронен лъч с дължина от един милиметър и са го насочили по по-пряк път. Това дава възможност на частиците да заобикалят завоите с по-малки разходи.

Когато се движат по такава траектория, електроните в предната част на лъча се оказват на по-полегат участък от радиовълната. В резултат на това те също така губят повече енергия, докато заобикалят завоя – явление, което физиците наричат „чирп“. След това последователността от магнити принуждава лъча да направи поредица от колебания: първо наляво, после надясно, после отново наляво, преди да се върне на основния път.

Магнитното поле действа по различен начин на електроните в зависимост от тяхната енергия. Частиците с по-ниска енергия се отклоняват по-силно и са принудени да изминат по-дълъг път. Това позволява на по-бързите електрони да настигнат по-бавните, което води до компресиране на целия сноп. Допълнителен магнит на пътя на частиците кара част от енергията им да се превръща в светлина, което усилва разликата в енергията между предната и задната част на лъча.

Инженерите са проектирали ускорителя по такъв начин, че електронният импулс да може да направи много обороти по кръговата траектория. На всеки кръг той става по-кратък като продължителност, но по-мощен по силата на въздействието си. На последния етап от експеримента физиците са постигнали поразителен резултат: дължината на лъча е била само 0,3 микрометра – това е сравнимо с дължината на вълната на виолетовата светлина и 200 пъти по-малко от дебелината на човешкия косъм.

Още по-изненадващо е, че екипът се е научил да контролира формата и плътността на потока частици с максимална точност. Това става възможно чрез прецизна настройка на магнитните полета и точно изчисляване на траекторията на частиците. Всеки елемент от инсталацията – от вакуумната камера до магнитната система – работи в строго определен режим, осигурявайки необходимите условия за формиране на свръхмощен импулс.

Създадената технология ще намери приложение в различни области на науката. С нейна помощ учените ще могат да изследват бързите химични реакции, наблюдавайки движението на електроните между атомите. Свръхмощните електронни лъчи ще позволят създаването на нови видове плазма – четвъртото агрегатно състояние на материята, в което атомите губят електроните си. Освен това експериментите с подобни лъчи ще помогнат за по-доброто разбиране на природата на вакуума – пространство, което според квантовата теория е изпълнено с мистериозни виртуални частици, които постоянно се появяват и изчезват.