Немецкие ученые добились стабильной работы лазерно-плазменного ускорителя электронов в течение более чем 27 часов. Непрерывная работа установки позволила сузить флуктуации параметров ускорения и набрать большую статистику, из которой исследователям удалось вычленить корреляцию между параметрами лазера и колебаниями максимальной энергии электронов. В результате физики научились моделировать колебания конечной энергии частиц с точностью до десятых процента.

В будущем такой метод может помочь реализовать активную стабилизацию пучка электронов прямо в процессе ускорения, которая необходима для применения лазерно-плазменных ускорителей в прикладных и научных целях.

Статья опубликована в журнале Physical Review X.

В современных ускорителях заряженные частицы приобретают энергию в радиочастотных резонаторах, которые прошли длинный путь от простейших установок до сверхпроводящих систем с замысловатой геометрией и сложнейшей технологией производства. Все это выливается в крайне высокую стоимость таких резонаторов, а фундаментальные ограничения на достигаемые в них поля не дают ускорять частицы с темпом больше, чем несколько десятков мегаэлектронвольт на метр. В результате с увеличением желаемой энергии частиц неизбежно растут размеры и цены установок.

Чтобы решить эти проблемы, физикам нужно найти принципиально новые способы ускорения частиц. Наиболее перспективным пока что является метод лазерно-плазменного ускорения, который ученые уже научились использовать для электронов и достигли в два раза большего темпа ускорения, чем на установках с радиочастотными резонаторами. В рамках этого метода электроны приобретают энергию в поле, которое формируется вызванными лазером колебаниями плазмы и связанным с ними перераспределением пространственного заряда. Таким образом, в лазерно-плазменных ускорителях электрон «цепляется» за волны плазмы и за счет существующей в них разности потенциалов увеличивает свою скорость.

Однако у этого метода есть несколько существенных недостатков: из-за тяжело контролируемых флуктуаций параметров установки физикам пока что не удается достигнуть стабильного ускорения на большом расстоянии до действительно высоких энергий, характерных для методов с использованием резонаторов. Эти флуктуации в работе лазерно-плазменных ускорителей возникают из-за того, что формально для каждого нового сгустка электронов создается новая ускоряющая емкость, на параметры которой, а значит и на конечную энергию электронов, сильно влияют колебания характеристик лазера. В результате пучки электронов высокого качества (с малым разбросом по энергиям как в поперечном сечении, так и по оси пучка) на лазерно-плазменных ускорителях получаются крайне редко и с высокой долей случайности.

Эту проблему и попыталась решить группа Андреаса Майера (Andreas Maier) из Гамбургского университета на лазерно-плазменном ускорителе LUX.