Физики из Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета придумали способ создать небольшие — в десять тысяч раз меньше существующих — ускорители электронов. Их метод основан на использовании лазерного луча для придания частицам необходимого импульса.

Свою статью исследователи опубликовали в журнале Physical Review Letters.

Ускорение электронов до высоких энергий в лабораторных условиях — довольно сложная задача. Как правило, чем большую энергию надо придать электронам, тем больше размер ускорителя частиц для этой цели. Например, чтобы открыть бозон Хиггса — недавно обнаруженную «частицу Бога», ответственную за существование массы во Вселенной, — ученые CERN в Швейцарии использовали ускоритель частиц длиной почти 27 километров. Но создание таких «монстров» — дело недешевое и небыстрое.

Чтобы решить все эти проблемы, авторы новой работы придумали технологию создания небольших ускорительных установок — длиной примерно с обеденный стол. С помощью такой техники ученые могли бы проводить настольные эксперименты для наблюдения бозона Хиггса или исследовать существование дополнительных измерений и новых частиц.

Физики разработали новую оптическую установку, которая напоминает по форме круглый амфитеатр, разделенный на отсеки, размером с длину волны лазера. Такая конструкция используется для создания временной задержки между концентрическими кольцами излучения, которые поступают от сверхмощного лазера. Объектив фокусирует каждое кольцо света, поступающее от лазера, и создает пучок высокой интенсивности. Однако вместо использования обычной линзы исследователи применили объектив экзотической формы, который позволяет им фокусировать каждое кольцо света на различном расстоянии от линзы, создавая линию высокой интенсивности, а не пятно.

Когда такой лазерный импульс попадает в плазму — своего рода газ из свободно движущихся электронов и ионов, — он создает след. Этот след распространяется со скоростью света. Затем электроны в плазме ускоряются за счет наличия этого следа, как человек на водных лыжах движется за лодкой.

В теории так называемые лазерные кильватерные ускорители были предсказаны еще почти 40 лет назад. Создать их стало возможным благодаря изобретению в 1985 году метода усиления чирпированных импульсов, за который его авторы получили в 2018 году Нобелевскую премию по физике.

В предыдущих работах, где предпринимались попытки создания подобных устройств, ученые использовали традиционные неструктурированные лазерные импульсы, которые распространялись медленнее скорости света. Это значит, что электроны опережали бы след и не могли бы ускориться до больших энергий. Новая техника позволяет развивать лазерному «пятну» скорость, превышающую скорость света, и благодаря этому электроны могут постоянно ускоряться.