Fiziķi sarauj akseleratoru

Protonu viļņi plazmā nelielā attālumā nogādā elektronus lielās enerģijās

Sērfošana uz viļņa: AWAKE eksperimentā protoni veido plazmas vilni (ovālas struktūras), kas paātrina elektronus (sfēras) līdz lielām enerģijām. © Jorge Vieira / IST Lisabona, Portugāle
lasīt skaļi

Plazma magnētu vietā: Jauns plazmas paātrinātājs nākotnē varētu padarīt liekus milzīgus daļiņu paātrinātājus - vismaz, kad runa ir par elektroniem. Tā kā tikai dažus metrus gara plazmas kamera un protonu stars ir pietiekami, lai paātrinātu elektronus līdz vairākiem gigaelektronvoltiem. To pierāda pirmais tā saucamā uzlabotā Veikfīldas eksperimenta (AWAKE) tests CERN, par kuru pētnieki ziņo žurnālā "Daba".

Daļiņu paātrinātāji ir vieni no svarīgākajiem mūsdienu fizikas instrumentiem. Mēs esam parādā tam, ka ir atklātas elementāras daļiņas, piemēram, Higsa bozons vai eksotiskie tetrakvarki, bet arī ieskatam fizikas pamata spēkos vai Visuma stāvoklī tūlīt pēc Lielā sprādziena. Tomēr līdz šim šiem paātrinātājiem ir viens trūkums: tie ir milzīgi, un to elektromagnēti, ko izmanto kā elektrokardiostimulatorus, patērē milzīgu enerģijas daudzumu.

Ķīlis viļņo plazmā

Jau kādu laiku fiziķi meklē veidus, kā panākt elektronu vai protonu ātrumu, izmantojot efektīvākas metodes. Tajos ietilpst paātrinātāji, kas darbojas ar terahercu starojumu, bet arī augi pēc tā saucamā ķīļa lauka paātrinājuma principa (plazmas nomoda lauka paātrinājums). Tajos šaurs kanāls ar plazmu tiek nošauts īsā lāzera impulsā. Tas atbrīvo elektronus no plazmas un rada ķīļviļņu elektrisko lauku, kas tos paātrina.

Izmantojot šos plazmas paātrinātājus, dažu centimetru attālums ir pietiekams, lai paātrinātu elektronus līdz gigaelektronvoltu diapazonam. Tomēr, lai sasniegtu vēl augstāku enerģiju vai citus ceļus, vairākas no šīm sistēmām būtu jāsavieno virknē. "Ģenerētie ķīļa viļņi ir pārāk vāji efektīvai daļiņu transportēšanai lielākos attālumos, " skaidro līdzautors Patriks Muggli no Maksa Planka Fizikas institūta.

CERN bijušā neitrīno eksperimenta tunelī AWAKE sadarbības pētnieki ir uzstādījuši desmit metrus garu plazmas šūnu, kurā viņi ļauj elektroniem sērfot uz plazmas viļņa. Maximilien Brice / CERN

Lāzera impulsa vietā tiek iegūts protonu stars

Tagad tas ir mainījies: ar uzlaboto Veikfīldas eksperimentu fiziķi ir izveidojuši ķīļa lauka paātrinājumu tādā veidā, lai varētu sasniegt vēl augstākas enerģijas. Lāzera stara vietā protonu stars ģenerē ķīļa viļņus plazmā. To ražo vienā no LHC priekšpaātrinātājiem un ar rubīdija plazmu ievada aptuveni desmit metrus garā kamerā. displejs

Tā kā protoni ir smagāki un enerģiskāki, tie rada arī spēcīgākus ķīļa viļņus nekā lāzera impulss. Dažas milisekundes pēc protonu staru kūļa tiek novirzīts elektronu stars plazmas kamerā. Tagad šīs daļiņas ķīļa viļņi uztver un aiztur. "Rezultāts ir lielāka daļiņu enerģija, " saka Muggli.

Vairāk enerģijas bagātas sadursmes

Sākotnējos testos fiziķi jau ir paātrinājuši elektronus līdz diviem gigaelektrona voltiem (GeV). "Mēs negaidījām šādus panākumus līdz gada beigām, " saka Allens Kaldvels, AWAKE sadarbības pārstāvis. "Šajā projekta agrīnajā posmā mēs vispirms vēlējāmies noskaidrot, cik tālu varētu tikt īstenots plazmas paātrināšanas princips." Viņš un viņa kolēģi pieņem, ka viņi darbosies k Nepieciešams tikai viens metrs, lai nākamajos šī plazmas paātrinātāja modeļos elektroni nonāktu pie gigaelektrona voltiem.

Pētnieki cer, ka ar šādiem plazmas paātrinātājiem var notikt daļiņu sadursmes ar iepriekš nepieejamām enerģijām. "Līdz 2024. gadam mēs vēlamies parādīt, kā AWAKE var izmantot zinātniskiem projektiem, " saka Caldwell. Tas varētu atbildēt uz dažiem atvērtiem fizikas jautājumiem, ieskaitot tumšās vielas dabu, tumšo enerģiju vai supersimetriju. (Daba, 2018; doi: 10.1038 / s41586-018-0485-4)

(Maksa Planka biedrība, 30.08.2018. - NPO)