Физики ЦЕРНа смогли разогнать электроны до энергии в 2 гигаэлектронвольта в установке длиной всего 10 метров — это в два раза превосходит аналогичный показатель для ускорителей на радиочастотных сверхпроводящих резонаторах, таких как Большой адронный коллайдер или коллайдер ВЭПП-4 в Новосибирске. Новой техника разгона электронов, так называемое кильватерное ускорение, позволит создавать мощные и в то же время компактные ускорители электронов с энергиями около 1 тысячи ГэВ — на порядок больше существующих. Статья с результатами эксперимента опубликована в журнале Nature, кратко об этом сообщается в пресс-релизе ЦЕРНа.

Самый эффективный способ ускорения заряженных частиц — использование градиента электрического поля. Если частица пролетает через электрическое поле с разностью потенциалов между началом и концом ее траектории в несколько сотен вольт, она приобретает (или теряет, в зависимости от направления полета) соответствующую энергию. Чем больше напряженность поля — разность потенциалов на метровом отрезке траектории, тем быстрее частица будет набирать энергию. В современных ускорителях величины полей могут достигать от 30 до 100 мегавольт на метр. Значит на каждый метр траектории в таком поле частица получает несколько десятков мегаэлектронвольт энергии. Чтобы сообщить частице энергию в несколько миллионов мегаэлектронвольт, как в Большом адронном коллайдере, приходится использовать сложные системы с многоступенчатым повышением энергии. Это сильно осложняет сборку ускорителей со все большей энергией разгоняемых частиц. И именно в таких высокоэнергетических экспериментах нуждается сейчас физика элементарных частиц.

Сейчас для создания полей высокой напряженности используются сверхпроводящие радиочастотные резонаторы. Однако этот подход уже практически достиг своего предела — он не позволяет поднять напряженность выше, чем 100 мегавольт на метр. В рамках эксперимента AWAKE (Advanced WAKEfield Experiment) физики исследуют возможность создавать поля огромной напряженности в плазме — вплоть до тысяч мегавольт на метр. Для этого используется техника кильватерного ускорения, основанная на создании в плазме специальных волн при бомбардировке ее сгустками заряженных частиц.

Экспериментальная установка устроена следующим образом. В десятиметровой трубе находится пары рубидия — щелочного металла, легко переходящего в ионизованное состояние при облучении и повышении температуры. На входе в трубу располагается источник электронов (предварительно ускоренных до 20 мегаэлектронвольт), мощный лазер для ионизации рубидия и превращения его паров в плазму и труба с пучком из протонного суперсинхротрона SPS — последнего из каскада ускорителей, разгоняющих протоны для Большого адронного коллайдера.

Когда сгусток протонов из суперсинхротрона попадает в плазму, в последней возникают волны колебаний, которые напоминают кильватерную струю, тянущуюся за кораблем. Внутри этих волн возникает область, в которой наблюдается огромная напряженность электрического поля. Если пучок электронов попадает в эту область, то он начинает быстро набирать энергию.

26 мая 2018 года, после почти пяти лет, ушедших на создание экспериментальной установки, AWAKE впервые полноценно запустили. В ускоритель запустили сравнительно медленные электроны с энергией 19 мегаэлектронвольт и 400-гигаэлектронвольтные протонные пучки. Оказалось, что даже в первых экспериментах электроны удалось ускорить в 100 раз — до энергий около 2 гигаэлектронвольт. Эта величина сама по себе невелика в сравнении с современными электронными ускорителями. К примеру, 366-метровый ВЭПП-4 разгоняет электроны до энергии в 6 гигаэлектронвольт. Но установка AWAKE обладает в два раза большими по напряженности ускоряющими полями. По словам авторов, в будущем в эксперименте планируется увеличить темпы разгона частиц еще в пять раз.

В теории метод кильватерного ускорения позволяет достичь ускорения на 100 гигаэлектронвольт на длине в один метр. На длине в 70 метров это эквивалентно ускорению до 7 тераэлектронвольт, реализуемому сейчас на 27-километровом Большом адронном коллайдере. Подобные высокоэнергетические частицы могут найти применение в синтезе радионуклидов для медицинских препаратов.

Автор: Владимир Королев