Создан первый в мире настольный ускоритель заряженных частиц

Помните, как в фильме "Железный человек-2" герой Роберта Дауни младшего создаёт в своём доме ускоритель частиц, который помещается в одной комнате? Я, как, наверное, любой учёный или научный журналист, тогда посмеялась над нелепыми попытками учёного-гения. Но, оказывается, фантастика не так уж далека от реальности! Технологии не стоят на месте и, вполне возможно, уже через пару десятков лет любой достаточно увлечённый своим делом физик и вправду сможет создать новый химический элемент прямо у себя в лаборатории. И, пожалуй, ему даже не понадобится такая большая комната как у Тони Старка!

Нынешнее достижение команды исследователей из Техасского университета сложно переоценить. Им удалось создать компактный ускоритель заряженных частиц, выполняющий многие функции своих более крупных аналогов. Фактически, учёные смогли сохранить характеристики обычного ускорителя, уменьшив его размеры в десять тысяч раз.

Ускорители заряженных частиц — устройства крайне дорогостоящие и очень большие. К примеру, основное кольцо циклического ускорителя Большого адронного коллайдера имеет длину окружности аж в 27 километров, а протяжённость американского Тэватрона составляла 6,3 километра. Строительство таких огромных установок занимает много времени и далеко не все страны могут это себе позволить.

Исследователи из Техасского университета (University of Texas) смогли решить эту проблему, пообещав учёным всего мира, что уже через пару десятилетий им не нужно будет вставать в лист ожидания, чтобы провести эксперимент на огромном ускорителе частиц.

"Нам удалось разогнать около полумиллиарда электронов до энергии в два гигаэлектронвольта на отрезке длиной всего в пару сантиметров. До сих пор таких результатов удавалось достичь лишь на огромных ускорителях, протяжённость которых превышает длину двух футбольных стадионов. Мы создали самый компактный в мире ускоритель заряженных частиц, сократив габариты примерно до 0,0001% от привычных установок", — рассказывает физик Майк Даунер (Mike Downer) из Колледжа естественных наук (College of Natural Sciences) при Техасском университете.

Даунер и его коллеги считают, что уже в обозримом будущем каждая крупная научная лаборатория сможет позволить себе поставить на рабочий стол лазерно-плазменный ускоритель, способных разогнать частицы до энергии в несколько гигаэлектронвольтов.

Согласно предположениям учёных, ускорить частицы до 10 ГэВ на участке длиной в несколько сантиметров можно будет уже через пару-тройку лет, а через десять лет появятся ускорители, способные на том же участке разогнать частицы до энергии в 20 ГэВ. Также разработчики считают, что путём проведения некоторых модификаций уже существующего настольного ускорителя удастся создать такой же компактный рентгеновский лазер на свободных электронах — самый яркий источник рентгеновского излучения, известный современной науке. Создание такого устройства поможет значительно сократить очередь к Европейскому лазеру на свободных электронах, который начнёт работать в 2016 году.

Настольным лазером смогут пользоваться не только физики, но и химики, и биологи, которые будут изучать живую и неживую материю на молекулярном уровне с точностью до нескольких атомов и разрешением по времени в пару фемтосекунд (10^-15 секунды). Такой широкий спектр возможностей, который откроется уже через пару лет перед учёными, ускорит в разы все естественнонаучные исследования.

"Рентгеновские лучи будут производиться за одну фемтосекунду, а это достаточный период времени для возникновения молекулярных вибраций и протекания высокоскоростных химических реакций. Таким образом мы сможем разглядеть, к примеру, атомную структуру белковой молекулы живой ткани", — рассказывает Даунер.

Для того чтобы заставить электроны производить такие рентгеновские лучи, Даунер и его коллеги применили метод кильватерного ускорения при помощи лазера. Эта методика подразумевает направление мощного лазерного луча на облако газа.

"На первый взгляд технология очень проста. Нужно всего лишь создать облако газа определённой плотности и конфигурации. Когда пучок лазера попадает внутрь облака, то лучи ионизируют газ и создают плазму, меняя структуру атомов. В ходе ионизации высвобождаются электроны и создаются поля пространственного заряда. Заряженные частицы вылетают из облака плазмы и попадают в ловушку этих полей, которые двигаются со скоростью близкой к световой. Таким образом достигается ускорение", — говорит Даунер.

Учёный приводит сравнение: "Представьте, что вы бросаете в озеро моторную лодку с включёнными двигателями. Лодка (лазер), передвигаясь по озеру с большой скоростью, создаёт кильватерный след. Некоторые капли воды (заряженные частицы), попадают на создаваемые волны и ускоряются вместе с ними. На другом конце озера они достигают очень высоких скоростей. Это и есть наши 2 ГэВ".

К слову, технология лазерно-плазменного ускорения не так уж и нова. Она была изобретена ещё в конце 1970-х годов физиками Тосики Тадзимой (Toshiki Tajima) и Джоном Доусоном (John Dawson). Активные эксперименты с этим методом начались уже в 1990-х годах, но учёные были ограничены в возможностях из-за низкой мощности используемых лазеров. На протяжении многих лет не удавалось преодолеть порог энергии в 1 ГэВ.

Команда Даунера решила использовать один из мощнейших лазеров в мире — Техасский петаваттный — чтобы наконец преодолеть этот барьер. Использование именно этой установки позволило учёным взять намного менее плотный газ для эксперимента, чем обычно.

"Если облако газа неплотное, то луч лазера проходит сквозь него намного быстрее. Но если использовать лазер недостаточно мощный, то создаётся недостаточно "брызг", и электроны не ускоряются. С петаваттным лазером такой проблемы не возникает: он запускает луч в плазму малой плотности и создает большой всплеск", — поясняет Даунер.

Физики уже продемонстрировали способности компактного ускорителя и описали его возможности в статье журнала Nature Communications. Они считают, что достижение более высоких энергий на таких же коротких отрезках — это лишь вопрос времени. Порог в 10 ГэВ, который можно будет преодолеть уже через несколько лет, очень важен, поскольку именно такое устройство необходимо для исследований в области молекулярной биологии и химии.

"Мы не думаем, что для этого потребуется какое-то фундаментальное открытие, нужно просто продолжать двигаться в том же направлении. Петаваттные лазеры уже имеются в продаже, так что, я считаю, что до появления на рынке настольных 10 гигаэлектронвольтных ускорителей осталось совсем немного. Это будет началом новой главы в истории науки", — сообщили физики в пресс-релизе.