Нова стъпка в ускоряването на частици: Физици ускориха протони с вода

Учени от Националната ускорителна лаборатория SLAC разработиха нов метод за генериране на бързи и ярки протонни снопове с помощта на лазерно-плазмен ускорител с висока честота. За първи път са решени ключови проблеми на тази технология, което отваря вратите за нейното реално приложение. Успехът на експеримента стана възможен благодарение на тънката струя вода, която замени конвенционалните твърди мишени.

Конвенционалните ускорители на частици (като синхротроните, например) използват електромагнити за ускоряване и фокусиране на снопове, но огромните им размери ограничават използването им в промишлеността и медицината. Лазерно-плазмените ускорители (LPA) са компактна алтернатива, но тяхната ефективност е компрометирана от необходимостта от смяна на мишените след всеки импулс и силното разсейване на протонните лъчи.

Изследователите от SLAC предложиха да се използва самовъзстановяващ се воден слой, който мигновено се обновява след всеки изстрел. Експеримент, проведен в централния лазерен комплекс на лабораторията STFC Rutherford Appleton в Обединеното кралство потвърди, че този метод работи: лазерен импулс, попаднал във водна мишена създаде протонен сноп.

Въпреки това се случило нещо неочаквано. Изпарената вода образува облак от пари, който взаимодейства с протонния лъч, създавайки магнитни полета. Тези полета естествено фокусират частиците, като намалят разсейването на лъча 10 пъти в сравнение с експериментите с твърди мишени. Ефективността на процеса се повиши 100 пъти, а стабилността позволи 5 импулса в секунда за стотици лазерни изстрели.

„Този ефект беше напълно неочакван.“

казва дипломантът от Станфордския университет Грифин Глен, който е участвал в разработването на водната мишена и в анализа на данните

Екипът използва експерименталните данни, за да моделира явлението и да определи ключовите фактори, влияещи върху ефекта. Създаденият по този начин протонен сноп последователно доставя радиационна доза от 40 Gray на импулс – стандарт в протонната терапия, използвана за лечение на рак. Досега LPA не са били в състояние да постигнат такива параметри при висока честота на повторение на импулсите. Нещо повече, тези резултати бяха постигнати с достъпна нискоенергийна лазерна система, което доближава технологията до практическото ѝ използване.

Според професор Зигфрид Гленцер, ръководител на отдела за висока енергийна плътност в SLAC, този успех променя подхода към изследванията на лазерно-плазмените ускорители. Физиците вече могат да разчитат не само на симулации, но и експериментално да изследват влиянието на различни параметри, като например интензитета на лазера, плътността на мишената и условията на околната среда.