Физики создают свою мечту - карманные плазменные суперускорители
Три коллектива европейских и американских специалистов по физике плазмы одновременно опубликовали результаты экспериментов, которые позволяют надеяться на скорое появление мощных и чрезвычайно компактных ускорителей электронов. Журнал Nature, где появились эти работы, анонсировал их на обложке очередного выпуска, который вышел в свет 30 сентября.
Создание электронных ускорителей небольших размеров - это давняя мечта ученых. Компактные и поэтому недорогие машины, способные генерировать стабильные электронные пучки высокой плотности с энергией в несколько десятков или даже несколько сотен мегаэлектронвольт (МэВ), чрезвычайно пригодились бы и химикам, и материаловедам, и биологам, и врачам. Ускорители с такими возможностями, разумеется, существуют, однако их размеры сравнимы с габаритами самолетных ангаров. Установки, мощность которых измерялась бы уже гигаэлектронвольтами (ГэВ), можно было бы без больших затрат использовать и в исследованиях элементарных частиц. Пока что для получения таких энергий приходится возводить поистине гигантские сооружения, строительство и обслуживание которых требует огромных средств. Достаточно сказать, что длина крупнейшего в мире Стэнфордского линейного ускорителя, который разгоняет электроны и позитроны до энергии в 50 ГэВ, превышает 3 километра. Протяженность кольцевого туннеля Большого адронного коллайдера, который сейчас строится в ЦЕРНе, составляет 27 километров.
Принципиальная возможность создания мощных миниускорителей появилась уже давно. В "обычных" линейных ускорителях с вакуумными туннелями сгустки электронов набирают скорость благодаря резонансному взаимодействию с подталкивающими радиоволнами. Интенсивность набора энергии в таких машинах не превышает нескольких десятых МэВ на один метр пройденной дистанции. В 1979 г. сотрудники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Тоши Тоджима и Дж. М. Доусон теоретически доказали, что при облучении плазмы лазерными импульсами можно добиться куда лучших результатов. При подходящих условиях такие импульсы (их называют драйверами) могут создавать плазменные шнуры, тянущие за собой электрические поля чрезвычайно высокой напряженности. Такое поле следует в кильватере драйверного импульса и быстро разгоняет электроны почти до скорости света. Этот механизм получил название лазерного ускорения в поле кильватерной волны (laser wakefield acceleration), его теория долгое время дорабатывалась физиками из самых разных стран, в том числе и из России. Расчеты показывают, что в идеале можно добиться устойчивого прироста энергии электронов в 1 ГэВ на сантиметр пути. Это означает, что плазменный аналог Стэнфордского ускорителя мог бы вполне свободно разместиться на лабораторном столе. Правда, на пути реализации такого проекта встают поистине гигантские технические трудности, но вот создание настольных ускорителей на сотни МэВ выглядит куда более реальным.
Сама возможность почти мгновенного ускорения электронов в плазменных установках сейчас доказана и экспериментально. Так, в позапрошлом году сотрудник парижской Политехнической школы Виктор Малка и его коллеги осуществили кильватерный разгон электронов до энергии 200 МэВ на дистанциях порядка миллиметра. Однако до сих пор таким путем удавалось получать лишь плохо сфокусированные электронные сгустки, в которых скорости, а значит, и энергии отдельных частиц сильно отличались друг от друга. Хороший ускоритель, напротив, должен стабильно генерировать пучки, объединяющие частицы с практически одинаковой энергией. Новые эксперименты парижских исследователей, а также американских физиков из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и ученых из Великобритании как раз и позволили свести ширину разброса по энергиям при кильватерном лазерном ускорении электронов всего до нескольких процентов. Строго говоря, даже и такие пучки еще нельзя назвать моноэнергетическими, однако свет в конце туннеля уже виден.
Методы кильватерного ускорения электронов, разработанные каждой из трех групп, отличаются в деталях, но в целом они достаточно похожи. Например, ученые из Беркли во главе с Вимом Лимансом (см. их коллективное фото) применили три лазерных пучка. Первый пучок ионизировал запертый в небольшой камере водород, создавая на своем пути первичный плазменный шнур. Затем этот шнур был дополнительно разогрет вторым лазерным лучом, направленным под углом к первому. В результате такого нагрева плотность плазмы в центре шнура снизилась, а на периферии - возросла. В итоге возник своего рода оптический канал, концентрирующий движение лазерного луча вдоль осевой линии и предотвращающий его рассеивание на стенках. Через половину миллиардной доли секунды в этот канал был послан драйверный импульс с пиковой мощностью 10 триллионов ватт, который и ускорил электроны до энергии свыше 80 ГэВ. Измерения показали, что число таких электронов в каждом сгустке составило несколько миллиардов.
Исследователи из лондонского Импириэл-колледжа работали не с водородом, а с гелием и получили почти моноэнергетические сгустки на 100 МэВ. Парижские физики разогнали электроны до энергии 170 МэВ на дистанции 3 миллиметра. Все три группы рассчитывают в скором времени получить столь же качественные электронные пучки с энергией порядка 1 ГэВ.
Источники:
High-quality electron beams from a laser wakefield accelerator using plasma-channel guiding - Nature 431, 538 - 541 (30 September 2004)
Monoenergetic beams of relativistic electrons from intense laser-plasma interactions - Nature 431, 535 - 538 (30 September 2004)
A laser-plasma accelerator producing monoenergetic electron beams - Nature 431, 541 - 544 (30 September 2004)
Обсудить
Статьи по теме
Физики создают свою мечту - карманные плазменные суперускорители
Три коллектива европейских и американских специалистов по физике плазмы одновременно опубликовали результаты экспериментов, которые позволяют надеяться на скорое появление мощных и чрезвычайно компактных ускорителей электронов. Создание электронных ускорителей небольших размеров - это давняя мечта ученых.
Искусственное ускорение ядерного распада
Японским физикам впервые удалось заметно увеличить скорость естественного распада ядер радиоактивного элемента, не подвергая их никаким экстремальным воздействиям. Они сумели загнать атомы бериллия-7 во внутреннюю часть почти сферических шестидесятиатомных молекул углерода, так называемых фуллеренов. В результате электронная плотность в окрестности бериллиевых ядер возросла, что вызвало прирост темпа радиоактивного распада.
Бозон Хиггса потяжелел
Международный коллектив физиков, работающих на гигантском американском протон-антипротонном коллайдере "Тэватрон", заново измерил массу t-кварка, которая оказалась несколько больше ранее принятого значения. Это объясняет негативный результат экспериментов по поиску так называемого бозона Хиггса, которые в конце прошлого десятилетия проводились в ЦЕРНе.
"Частица бога" не откроет тайну американцам
Один из ключевых вопросов современной физики высоких энергий - подтверждение или опровержение существования теоретически предсказанной еще в 1964 году экзотичной субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса. Предполагается, что бозон Хиггса сыграл основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы (кварки, лептоны) во время Большого взрыва приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотоны).
Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
Музыка сверххолодных атомов
Американские ученые из Университета Дьюка экспериментально наблюдали сверхтекучесть вырожденного квантового газа, образованного атомами с полуцелыми спинами. Они работали с резонансным конденсатом, созданным из атомов лития-6. Именно эту новую форму квантового конденсата несколько месяцев назад впервые получила группа Деборы Джин.
Впервые удалось получить "стадо" из частиц-индивидуалистов
Американские ученые сообщили о том, что им впервые удалось наблюдать образование так называемого "фермионного конденсата", составленного из пар атомов в охлажденном газе. В течение ряда лет существовало мнение о родственности явлений сверхпроводимости (с которой связаны фермионы) и бозе-конденсации. Теперь это может помочь в создании сверхпроводящих материалов, имеющих самое широкое практическое применение.
В лаборатории получено принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества
Физики из Пенсильванского университета получили принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества путем охлаждения гелия-4 до ультрахолодных температур. Супертвердое тело ведет себя подобно сверхтекучей жидкости (которая течет без сопротивления), но имеет все характеристики кристаллических веществ. Это означает, что теперь можно наблюдать конденсацию Бозе-Эйнштейна не только в газах и жидкостях, но и в твердых телах.
В "темном свете" обнаружены оптические вихри и скрытые цвета
Физики из Университета Глазго впервые наблюдали скрытые цвета, которые, как недавно было предсказано, должны существовать в "темном свете". Феномен темного света тесно связан с областями пространства, известными как "фазовые дислокации" или сингулярности, которые изучаются в рамках сингулярной оптики. Кроме всего прочего, подобные эффекты могут применяться для того, чтобы заманить в ловушку и вращать микрообъекты в своеобразном "оптическом пинцете".
В эксперименте впервые наблюдался обратный эффект Доплера
Существование предсказанного еще в 40-х годах прошлого века так называемого обратного доплеровского эффекта было впервые подтверждено экспериментально. Британские исследователи признают, что их результаты в какой-то мере противоречат обычному здравому смыслу, однако утверждают, что все это может найти реальное применение в медицинских источниках излучения и в телекоммуникационной технике.
Получен рекордный ультрахолодный "атомный снежок"
2500 атомов натрия охладили до половины миллиардной части градуса выше абсолютного нуля - температуры, при которой колебания атомов почти полностью замирают. В результате получается ни много ни мало как принципиально новое, пятое состояние вещества - так называемый конденсат Бозе - Эйнштейна.
Американские физики спасли теорию Эйнштейна: информация действительно не может передаваться быстрее света
Группа американских физиков, не щадя своего времени и средств, помогла торжеству здравого смысла: они доказали, что следствие не может предшествовать своей причине. Эксперименты подтвердили, что недавнее сенсационное исследование, согласно которому свет, казалось, распространялся со скоростью, превышающей его же собственную скорость в вакууме, не противоречит основополагающему для физики понятию причинно-следственной связи.
Физики, возможно, наблюдали магнитные монополи
Поль Дирак в 1931 году выдвинул гипотезу, согласно которой в природе должны существовать некие экзотические частицы, являющиеся переносчиками изолированных "магнитных зарядов" - магнитные монополи. Но до сих пор все попытки обнаружить в эксперименте эти неуловимые частицы были безуспешными. Однако теперь группа физиков из Японии, Китая и Швейцарии утверждает, что им все-таки удалось найти косвенное свидетельство существования таких монополей Дирака.
Мезоны устраивают "похороны" классической физике
Хорошо известные в квантовой механике неравенства Белла впервые были проверены в эксперименте с участием высокоэнергетичных частиц в лаборатории KEK в Японии. Причем именно нарушение этих знаменитых неравенств и является серьезным аргументом в пользу истинности современного понимания квантовой теории и позволяет "похоронить" так называемые "теории скрытых параметров", в определенном смысле привязанные к классической физике.
Последняя нерешенная проблема классической физики близка к решению благодаря сверхтекучему гелию
Это кажется невероятным, но теории гидродинамической турбулентности в завершенном виде не существует до сих пор, созданы только так называемые полуэмпирические теории турбулентности. Вообще это является одной из важнейших проблем современной теорфизики. Теперь сделан важный шаг в описании турбулентности в сверхтекучем гелии-3, что может помочь, наконец, в решении проблемы турбулентности и в классических жидкостях.
Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному
Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.
Мюоны указывают путь к невидимой вселенной
Международная группа физиков из Брукхэвенской лаборатории сообщила о том, что в экспериментах с элементарными частицами удалось обнаружить серьезные отклонения от теоретических предсказаний, даваемых Стандартной моделью. Измерялось колебание мюонов в магнитном поле. Нарушение Стандартной модели - это уже вполне ожидаемое событие, многие ученые полагают, что благодаря этому откроются горизонты новой физики элементарных частиц.
Датчик гравитационных волн уходит под землю
Гравитационные волны - это своего рода "рябь" в пространственно- временном континууме, которая возникает тогда, когда массивные космические тела испытывают ускорение (точнее говоря, гравитационные волны излучаются массами, движущимися с переменным ускорением). Альберт Эйнштейн предположил их существование в рамках своей Общей теории относительности еще в 1915 году. Двигаться гравитационные волны должны были со скоростью света. Однако эти волны очень слабы и их регистрация до сих пор находится на грани технических возможностей.
Механическая "рука" вплотную приблизилась к квантовому пределу
Узнать, на самом ли деле действие принципа неопределенности распространяется на макроскопические объекты, было основной целью американских экспериментаторов. Они изучали движения вибрирующего механического манипулятора, изготовленного из нитрида кремния. Размер изучаемого объекта в эксперименте не превышал 8 мкм - то есть "рука" была совсем крошечной по обыденным масштабам, однако все еще оставалась макроскопическим объектом. Мы находимся в начале новой экспериментальной эры, когда взаимодействие между двумя полностью квантовыми системами может быть изучено экспериментально, что вполне может быть названо квантовой электромеханикой.
Обвинения в "изменах" с постоянной тонкой структуры пока не сняты
Современные теории, которые призваны объединить эйнштейновскую относительность с квантовой механикой и тем самым решить одну из сверхзадач всей современной физики, привели к шокирующему предсказанию: фундаментальные константы не только могут, но даже обязаны изменяться в пространстве и времени. Однако теперь с помощью исследования спектров отдаленных квазаров удалось наложить строгие ограничения на возможные вариации во времени одной из важнейших физических констант - постоянной тонкой структуры.
Физики надеются обнаружить изменение фундаментальных констант со временем
Две группы физиков на протяжении последних лет провели целый ряд аккуратных экспериментов в надежде обнаружить непостоянство природных констант, до сих пор считавшихся не изменяющимися со временем. До настоящего момента данные на эту тему добывались астрофизическими методами и указывали на возможность подобных вариаций.
"Твикинг" гравитации покончит с потребностью в странных силах
Факт существования темной энергии, казалось бы, однозначно подтвержден наблюдениями за удаленными сверхновыми и экспериментами с микроволновым космическим фоном. Однако теперь группа американских физиков показывает, что факт непрерывно ускоряющегося расширения Вселенной, который лег в основу подобной гипотезы, можно объяснить и не призывая на помощь мистическую "дарк энерджи".
Физики доказали, что рукописи не горят
Известный популяризатор науки и специалист по черным дырам Стивен Хокинг на пару с Кипом Торном, по всей видимости, проспорил Джону Прескиллу полное собрание томов Британской энциклопедии. В 1997 году эти три космолога заключили между собой ставшее вскоре широко известным пари относительно того, исчезает или нет информация, поглощаемая черными дырами вместе с материальными носителями, то есть меняется ли вообще внутреннее состояние черной дыры в зависимости от конкретных характеристик частиц, которые ею поглощены.
Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн
Самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия на сверхмалых расстояниях не дал новых козырей в руки сторонников теории суперструн. Но, несмотря на все это, идеи дополнительных измерений становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения - ускоренно расширяющейся Вселенной, в которой царит темная энергия.
Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе
90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.
Теория относительности топит субмарины
Бразильский физик решил задачку, "подброшенную" релятивистской теорией, так называемый "парадокс субмарины". Для разбора этого "парадокса" пришлось использовать Общую теорию относительности и включить в решение эффект искривляющих пространство гравитационных сил, получив своеобразный модифицированный релятивистский закон Архимеда.
Большой взрыв руками физиков-ядерщиков: подтверждено получение кварк-глюонной плазмы
Недавние контрольные эксперименты добавили уверенности "творцам Большого взрыва" из Брукхэвена: похоже, им действительно удалось получить кварк-глюонную плазму - то есть материю, находящуюся в принципиально новом состоянии. Согласно современным теориям, кварк-глюонная плазма существовала только в первые 10-5 с после Большого взрыва. Когда-то предрекали, что подобные эксперименты могут привести чуть ли не к концу всей нашей Вселенной или, по меньшей мере, к формированию микроскопической черной дыры, которая затем затянет внутрь себя все, до чего сможет дотянуться.
Вселенная может оказаться старше
Вселенная может оказаться примерно на миллиард лет старше своего официального возраста. К такому выводу пришли физики из Италии и ФРГ. Их выводы основаны на измерении скорости цепочки термоядерных реакций, которые обеспечивают светимость горячих и ярких звезд, масса которых как минимум в два-три раза превышает массу нашего Солнца.
Новости по теме
