Большой адронный коллайдер — самая большая и сложная экспериментальная установка в мире. Для его постройки под землёй прорыли туннель протяжённостью около 27 километров. Именно такую длину имеет большое кольцо ускорителя, способного разгонять протоны и тяжёлые ионы до скорости близкой к световой.

Но в ближайшем будущем такие гигантские инструменты могут уйти в прошлое, а им на смену придёт новое поколение ускорителей длиной всего несколько метров. Это станет возможным благодаря использованию лазеров, утверждают инженеры из США.

В современных экспериментах по сталкиванию частиц, в ходе которых был обнаружен бозон Хиггса, используются радиочастотные волны. В новом типе устройств мощные лазерные импульсы будут проходить сквозь облако заряженных частиц, известных как плазма.

В результате субстанция придёт в движение, напоминающее волны на воде. На вершине этих «гребней» электроны будут разгоняться до огромной скорости.

Основная проблема состоит в том, что для конкуренции с таким серьёзным комплексом, как БАК лазерная установка должна быть очень мощной и при этом излучать тысячи импульсов в секунду. Современные лазеры необходимой мощности могут выстреливать лишь один раз в секунду.

Теоретические расчёты подсказывают, что

добиться требуемого эффекта можно, объединив в один мощный импульс много небольших высокочастотных лазеров. Однако реализация такого проекта на практике ещё недавно казалась трудно выполнимой.

Например, считалось, что

для эффективной передачи давления фотонов лазерного света на электроны в плазме и разгона последних излучение лазеров нужно очень точно сочетать по цвету, фазе и ряду других характеристик.

Но новое исследование американских учёных из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) показывает, что всё гораздо проще. Физики решили выяснить, как повлияют на плазму беспорядочные лазерные лучи.

Они построили компьютерную модель, демонстрирующую поведение частиц плазмы под влиянием пучка лазеров разных цветов и фаз и выяснили, что точные настройки не влияют на эффективность работы системы.

«В своих экспериментах мы долгие годы пытались создать идеальный лазерный луч, — говорит соавтор исследования Вим Лимэнс (Wim Leemans) в пресс-релизе лаборатории. — Наши новые результаты имеют большое значение для специалистов в области лазеров, ведь они показывают, что не нужно делать всё столь тщательно. Вместо одной большого толчка, мы за то же время можем дать много маленьких, и частицам в плазме будет совершенно всё равно».

В 2006 году команда Лимэнса уже продемонстрировала миниатюрный плазменный ускоритель длиной всего три сантиметра, который с помощью лазерного импульса в 40 тераватт передавал электрону мощность в один гигаэлектронвольт. В современных ускорителях электроны достигают энергии в 50 гигаэлектронвольт, но для этого им нужно проделать путь в несколько километров.

Чтобы достичь более высокой энергии электронов в 2012 году на Лазерном ускорителе Лаборатории Беркли (BELLA) был установлен лазер мощностью в один пентаватт (один квадриллион ватт) с продолжительностью импульса 40 фемтосекунд. Сейчас с его помощью учёные пытаются создать пучок с энергией 10 гигаэлектронвольт. Но, по их словам, на достижение этой цели потребуется от пяти до десяти лет.

Новый проект под названием kBELLA, который будет использовать принцип комбинированных беспорядочных лазеров, уже находится в стадии разработки.

Если результаты моделирования, опубликованные в издании Physics of Plasmas, подтвердятся, новая установка сможет генерировать ещё более быстрые и мощные лазерные импульсы для разгона частиц. В свою очередь это сделает подобные установки проще и компактнее.