Чем больше коллайдер, тем выше энергия столкновения частиц, и тем больше открывается новых областей для исследования. Но ставка на сверхвысокие энергии – это дорого и сложно. Поэтому в физике развиваются другие методы, один из них – кильватерное ускорение, при котором пучок частиц ускоряется электрическим полем плазменной волны, возбуждаемой драйвером.

В лаборатории SLAC (США) впервые в мире была измерена долговременная динамика плазменной кильватерной волны. Эксперимент помогли интерпретировать теоретики Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). Они рассчитали динамику волны до 1500 пикосекунд, что в 40 раз превосходит результаты других теоретических групп.

Оказалось, что более 80% начальной энергии волны остаётся в плазме и переходит в энергию ее разлёта. Это делает оценки некоторых параметров будущих кильватерных ускорителей менее оптимистичными, чем считалось ранее. Статья об этом опубликована в Nature Communications.

Ускорители элементарных частиц – один из главных инструментов фундаментальной науки в исследовании материи, также они применяются в прикладных областях. Но современные задачи ставят все более высокие требования к энергии ускоряемых частиц. Крупнейшие современные установки имеют характерные размеры в несколько километров, а их создание и обслуживание обходится в миллиарды долларов.

При этом классические технологии, по которым строятся ускорители, приближаются к своему пределу. Это заставляет искать альтернативные методы, например, плазменное кильватерное ускорение. Идея кильватерного ускорения в плазме возникла в 70-х годах, а название метода появилось из-за аналогии со следом на поверхности воды, который остается за кормой идущего судна. Пучок-драйвер, проходя через плазму, создает в ней волну и таким образом разгоняет электроны, летящие следом.

В эксперименте SLAC, предназначенном для уточнения механизмов кильватерного ускорения, в камеру с газом был направлен электронный пучок, поле которого настолько сильное, что разрывает связи между электронами и ионами атомов газа, в результате чего образуется плазма.