Электроны вдвое быстрее: «летающий фокус» обманул дефазировку
AI Изображение создано с помощью ИИ и носит иллюстративный характер
В новом исследовании, опубликованном в Nature Physics, электроны в лазерно-плазменном ускорителе разогнались до 396 ± 14 МэВ — это более чем вдвое превышает расчётный предел в 185 МэВ, который считался непреодолимым для установки той же длины. Эксперимент провела группа из Лаборатории лазерной энергетики Университета Рочестера. Об этом сообщает издание Phys.org.
Лазерно-плазменные ускорители используют ультракороткий лазерный импульс, который ионизирует газ и создаёт в плазме кильватерную волну. В режиме «blowout» позади импульса образуется полость, почти полностью лишённая электронов, а разделение зарядов создаёт электрическое поле свыше 1 ГВ/см — на порядки сильнее, чем в обычных радиочастотных ускорителях.
До сих пор основным ограничением была дефазировка: плазменная волна движется чуть медленнее скорости света, а захваченные электроны почти достигают скорости света и постепенно обгоняют ускоряющую фазу волны. Первый автор исследования Чарли Арроусмит объясняет, что при этом ускорение преждевременно заканчивается. Чтобы обойти проблему, физики снижали плотность плазмы — так современные ускорители достигли 10 ГэВ в одной стадии, но для 100 ГэВ потребовалась бы плазма длиной около 10 метров (33 фута).
Группа из Рочестера применила технику dephasingless laser wakefield acceleration (DLWFA), теоретически предложенную в 2020 году. Специально сконструированный лазерный импульс — «летающий фокус» — заставляет точку пиковой интенсивности двигаться вперёд с нужной скоростью, независимо от групповой скорости света в плазме. Это достигается с помощью зеркала axiparabola, фокусное расстояние которого меняется с радиусом, что позволяет разнести фокус в линию и устранить дефазировку.
В эксперименте использовалась смесь водорода и аргона: водород легко ионизируется и образует плазменную волну, а аргон ионизируется только на пике интенсивности, инжектируя электроны точно в нужную фазу. Плотность плазмы в ячейке измерялась интерферометрией на каждом выстреле, а энергию электронов регистрировал магнитный спектрометр. Ускорение удалось получить в узком диапазоне плотностей — от 4,5 до 5,4 × 10¹⁸ см⁻³.
Конечная энергия составила 396 ± 14 МэВ — более чем вдвое выше обычного предела 185 МэВ. Исследователи называют работу доказательством концепции, а не готовым ускорителем. По их оценкам, для достижения 100 ГэВ потребуется установка длиной менее метра (3,3 фута) — примерно в 20 раз короче традиционного одноступенчатого лазерно-плазменного ускорителя.
