Компресиране на енергията: как учените укротиха хаоса в ускорителите с размер колкото една длан

Учени от германския изследователски център DESY направиха важна стъпка в развитието на технологията на лазерно-плазмените ускорители – компактна и обещаваща алтернатива на гигантските ускорители, използвани днес във физиката на елементарните частици. Традиционните ускорители са обемисти и скъпи: те изискват километрични трасета и мощни магнити, за да ускорят частиците до необходимите скорости. Екипът на DESY обаче ни доближава до бъдещето, в което подобни експерименти ще могат да се извършват с устройства с размери от няколко сантиметра.

Лазерно-плазмените ускорители работят не с помощта на обикновени магнити, а с мощни лазерни импулси и плазмени вълни. Тези вълни създават електрическо поле, което може ефективно да ускорява електроните. Проблемът е, че получените електронни снопове все още не са достатъчно стабилни и предсказуеми – електроните в тях могат да имат различни енергии и да се движат неравномерно, което пречи на използването на такива снопове в реалните инсталации.

Новата работа на учените от DESY предлага и демонстрира решение на този проблем – двустепенна система за корекция. Първо, електронните снопове с неравномерно разпределение на енергията се пропускат през специална магнитна система, наречена „чикана“. Това устройство буквално разтяга снопа във времето и подрежда електроните според тяхната енергия: бързите електрони отиват напред, а бавните остават отзад. След това този сортиран сноп се изпраща към радиочестотен резонатор – устройство, подобно на тези, използвани в конвенционалните ускорители. Той или забавя бързите електрони, или ускорява бавните, като в крайна сметка изравнява техните енергии.

Резултатът е впечатляващ: колебанията на енергията в лъчите са намалени 18 пъти, а стабилността между различните лъчи е увеличена 72 пъти. Това прави лазерно-плазмените ускорители сравними по качество с традиционните ускорители, но те са десетки пъти по-компактни и потенциално по-евтини.

За първи път тази технология, която досега съществуваше само на ниво идея, беше реализирана в експеримент. Както отбелязват авторите, сега пътят към практическото приложение на лазерно-плазмените ускорители е станал по-реалистичен. В бъдеще те могат да се използват например като източник на електрони за следващото поколение рентгенови апарати, като PETRA III – съоръжение в DESY, произвеждащо свръхярки рентгенови лъчи за изследване на молекули, материали и биологични проби.

Макар че предстои още много работа – подобряване на лазерите, преминаване на технологията към непрекъснат режим на работа – вече е ясно: миниатюрните ускорители стават все по-сериозен претендент да променят бъдещето на физиката на елементарните частици и научните изследвания.