Установлен новый рекорд лазерно-плазменного ускорения электронов

В ходе экспериментов в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли лазерный импульс пиковой мощностью около одного петаватта, распространяясь в плазменном канале, разогнал пучок электронов до энергии, превышающей восемь гигаэлектронвольт, на дистанции всего в 20 сантиметров. Это почти в два раза превышает предыдущий рекорд лазерно-плазменного ускорения, установленный там же в 2014 году. Достичь такого результата удалось за счет использования дополнительного лазерного импульса, предварительно уменьшившего концентрацию плазмы в канале. О результатах эксперимента, описанного в журнале Physical Review Letters, сообщает Physics.

Для ускорения заряженных частиц ученые чаще всего используют ускорители, работающие на основе высокочастотных резонаторов. Наибольшие успехи здесь были достигнуты в синхротронах — циклических ускорителях, в которых частицы совершают большое количество оборотов, постепенно набирая энергию. Рекордсмен в этой области — Большой адронный коллайдер, на котором удалось разогнать протоны до энергии около 6,5 тераэлектронвольт. Однако разогнать до той же энергии электроны в циклических ускорителях невозможно: из-за малой массы они при энергии порядка нескольких гигаэлектронвольт начинают чрезвычайно сильно излучать в поворачивающих магнитах, теряя всю набранную за оборот энергию.

Поэтому для достижения рекордно высоких энергий электронов применяют линейные ускорители. Самый длинный из них — почти трехкилометровый Стэнфордский линейный ускоритель SLAC, который и удерживает в настоящее время рекорд электронного ускорения: 50 гигаэлектронвольт. Проект Международного линейного коллайдера ILC в Японии предполагает строительство двух линейных ускорителей — отдельно для электронов и позитронов — длиной в 13 километров каждый с энергией частиц до 250 гигаэлектронвольт.

Главный ограничивающий фактор для подобных ускорителей — пробой его элементов слишком большими ускоряющими полями. По этой причине темп ускорения в них не может превышать величины порядка 10–20 мегаэлектронвольт на метр. В то же время, еще в 1979 году был предложен альтернативный метод ускорения частиц — плазменной волной, возбуждаемой коротким, но мощным лазерным импульсом. Этот метод сейчас называют кильватерным лазерно-плазменным ускорением, поскольку плазменная волна возбуждается позади, то есть в кильватере, лазерного импульса.

Для плазменных методов ускорения не существует ограничения на величину ускоряющих полей, и темп ускорения для них может достигать 100 гигаэлектронвольт на метр, однако ряд технических проблем не позволяет пока им напрямую конкурировать с традиционными ускорителями. Одна из самых важных — сложность организации стабильного и эффективного лазерно-плазменного ускорения на дистанции, превышающей несколько миллиметров.

При лазерно-плазменном ускорении эффективность ускорения определяется двумя факторами: величиной ускоряющего электрического поля в плазменной волне и длиной, на которой происходит эффективное ускорение. Чем больше каждая из этих величин, тем больше в итоге энергию получат ускоряемые электроны. Однако одновременно увеличивать обе величины нельзя.

Чтобы увеличить ускоряющее электрическое поле, надо использовать как можно более плотную плазму. Но чем плотнее плазма, тем больше энергии лазерный импульс тратит не на ускорение частиц, а на возбуждение плазменной волны и нагрев плазмы вокруг. В результате в плотной плазме лазерный импульс быстро истощается, теряя всю энергию, и длина ускорения оказывается малой. Исследования показали, что выгоднее наоборот уменьшать плотность плазмы: ускоряющее поле будет меньше, зато длина ускорения будет значительно больше.

Однако при длительном ускорении в разреженной плазме проявляется другая проблема: лазерный импульс из-за дифракции становится широким и его интенсивность падает, поскольку теперь та же мощность оказывается распределена по большему сечению. Это приводит к тому, что уже через несколько миллиметров лазерный импульс становится неспособным создавать сколько-нибудь заметную плазменную волну и ускорять электроны.

Для борьбы с этим эффектом при лазерно-плазменном ускорении используют специальный плазменный канал, который не дает лазерному импульсу расширяться. В таком канале создается определенный профиль плотности плазмы, так что в его центре плазма менее плотная, чем по бокам. По такому каналу лазерный импульс бежит словно по желобу, оставаясь все время вблизи центра.

Именно такие плазменные каналы позволили ученым из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли в 2014 году получить стабильное ускорение электронов на дистанции порядка девяти сантиметров и довести их энергию до рекордных на тот момент 4,2 гигаэлектронвольт. Дальнейший набор энергии был невозможен, поскольку к концу канала лазерный импульс истощался. Попытки увеличить длину ускорения за счет уменьшения плотности плазмы столкнулись с еще одной проблемой: для еще более разреженной плазмы глубины создаваемого плазменного канала оказалось недостаточно для удержания лазерного импульса.

Чтобы преодолеть эту проблему, ученые решили разделить процесс создания плазменного канала на две стадии. Изначально канал создавался в результате электрического разряда в капиллярах — тонких сапфировых трубках диаметром менее миллиметра. В новых экспериментах после разряда в капилляр с уже образовавшейся плазмой запускался относительно длинный и мощный импульс, который нагревал плазму в центре капилляра. Нагретая плазма расширялась, в результате чего в центре ее плотность уменьшалась.

Сложность заключается в том, что распространяясь в плазме нагревающий лазерный импульс взаимодействует с этой плазмой и значительно меняет свои свойства. Для правильного подбора его параметров потребовалось проводить масштабное численное моделирование, учитывающее этот эффект. Такое моделирование было проведено группой ученых из Института прикладной математики РАН, МИФИ и Института физики Академии наук Чешской Республики.

В ходе экспериментов нагрев осуществлялся лазерным импульсом длительностью восемь наносекунд и с полной энергией в 300 миллиджоулей. Его использование позволило снизить ширину плазменного канала для основного импульса с 110 микрометров до 60 микрометров. Основной лазерный импульс имел длительность около 35 фемтосекунд и пиковую мощность 0,85 петаватт. В результате серии экспериментов была получена стабильная генерация пучков электронов с энергией в районе шести–семи гигаэлектронвольт, а в рекордном эксперименте энергия электронов превысила восемь гигаэлектронвольт.

Для создания реальной альтернативы традиционным электрон-позитронным коллайдерам ученым требуется решить еще целый ряд проблем. Во-первых, маловероятно, что удастся одним лазерным импульсом ускорить электроны до энергии значительно больше 10 гигаэлектронвольт, поэтому необходимо организовать многостадийное ускорение большим количеством лазерных импульсов. Здесь возникает проблема синхронизации стадий ускорения, поскольку речь идет о пучках электронов диаметром порядка 20–30 микрометров, которые надо синхронизировать с лазерными импульсами с точностью до нескольких микрон в поперечном направлении и до нескольких фемтосекунд по времени.

Во-вторых, даже на одной стадии процессу ускорения не хватает стабильности. Энергия электронов для каждого отдельного лазерного импульса получается немного различной, также флуктуирует и количество электронов в пучке, и направление их вылета из ускорителя. 

В то же время, у лазерно-плазменных ускорителей есть и другие возможные приложения помимо коллайдеров. Ускоренные в них электронные пучки можно использовать в рентгеновских лазерах на свободных электронах или для генерации яркого рентгеновского и гамма-излучения при взаимодействии с лазерными импульсами. Разработка подобного ускорителя, готового для индустриального использования, ведется, например, в рамках европейского проекта EuPRAXIA, в ассоциированных партнерах которого значатся и российские институты: Институт прикладной физики РАН и Объединенный институт высоких температур РАН.

Артем Коржиманов