Фізикам з Великобританії вдалося домогтися прискорення електронів з енергією 35 мегаелектронвольт за допомогою лазерних імпульсів і хвилеводу з діелектричним покриттям стінок. Вчені незначно збільшили вихідну енергію електронів, але за рахунок вкрай короткої ділянки впливу досягли темпу прискорення в два мегаелектронвольти на метр. Метод, яким скористалися дослідники, практично не впливає на поперечну структуру пучка частинок, що дуже цінується в прискорювальній фізиці, а в майбутньому ця техніка може бути використана в повноцінних лінійних прискорювачах нового покоління. Стаття опублікована в журналі.
За більш ніж сто років розвитку прискорювачів вчені навчилися розганяти елементарні частинки до величезних енергій, але через фундаментальні обмеження на темпи прискорення кожне нове покоління цих найскладніших експериментальних установок зростає в ціні і розмірах. Для лінійних прискорювачів одним з головних таких обмежень є верхня межа на значення напруженості електричного поля: більше декількох десятків мегавольт на метр досягти не виходить через цілий ряд технічних проблем, в тому числі пробоїв.
Для подолання такого обмеження необхідний розвиток принципово нових технік прискорення заряджених частинок, в рамках яких виходить досягти більш сильних полів, а значить і більш швидких темпів прискорення. Мабуть, головними кандидатами на звання нового покоління прискорювачів є установки, в яких для прискорення частинок використовуються потужні лазерні імпульси. Наприклад, у кільватерному прискоренні потужні лазери використовуються для створення коливань у плазмі, в яких вже прискорюються електрони. Саме цей метод зараз є одним з рекордсменів за поєднанням темпів і величини прискорення: з його допомогою фізики навчилися стабільно прискорювати електрони на 2 гігаелектронвольти за 10 метрів, а на менших дистанціях темпи прискорення досягали і 100 гігаелектронвольт на метр.
Однак Морган Хібберд (Morgan Hibberd) з Манчестерського університету і його колеги використовували потужний лазер для прямого впливу на електрони, що летять крізь його промінь. У цьому методі заряджені частинки безпосередньо взаємодіють з хвилями електромагнітного поля, які породжує лазер, купуючи тим самим енергію. Для реалізації такого способу прискорення на електромагнітне поле накладається ряд умов: воно повинно бути сильно сфокусоване, а його фазова швидкість повинна збігатися зі швидкістю руху електронів, щоб не відбувалося розсинхронізації. Для досягнення цих умов автори використовували потужний терагерцевий лазер, промінь якого за допомогою спеціальної платівки переводять в придатну для стійкого прискорення моду TEM01 і фокусують параболічним дзеркалом, а також хвилевод з кварцевим діелектричним покриттям внутрішніх стінок. Зміни в енергії електронів фізики спостерігали за допомогою сцинтиляційного екрану, на який під різними кутами летіли відхилені дипольним магнітом частинки різних швидкостей.
Фізики попередньо провели моделювання експерименту, щоб визначити, що при резонансній частоті хвилевода в 0,4 терагерц прискорення вихідних електронів з енергією 35 мегаелектронвольт буде максимальним. Самі електрони на експеримент подавалися з лінійного прискорювача CLARA, який дозволяв фізикам варіювати тривалість (довжину) електронних згустків у вихідному пучку. Спочатку вчені впливали лазером на згусток тривалістю в 6 пікосекунд і поспостерігали модуляцію спектру вихідного пучка з періодом лазера в 2,5 пікосекунди. В результаті частина електронів виявилася зміщена в спектрі в бік великих енергій, тобто фактично прискорена, на 8,8 кілоелектронвольт.
Потім автори повторили досвід, але тепер пучок електронів складався зі згустків з тривалістю в дві пікосекунди. Така близькість довжини пучка і періоду випромінювання лазера дозволила дослідникам простежити за тим, як на прискорення впливає фаза терагерцевого випромінювання, в яку вчені «вставляли» згусток електронів. За допомогою такого підбору фази і варіації вихідного розкиду пучка з енергій фізики домоглися максимального значення ефективного прискорення електронів в 10 кілоелектронвольт.
Вчені зазначають, що у своїй роботі вони реалізували прискорення згустків електронів із зарядом аж до 60 пікокулон - це майже на три порядки більше, ніж у попередніх подібних експериментах. Автори зробили істотний стрибок і у вихідній енергії електронів: раніше за допомогою терагерцевих лазерів прискорювали пучки з енергією не більше декількох сотень кілоелектронвольт. Особливо важливо і те, що використаний фізиками метод практично не впливає на поперечну структуру пучка, а зазвичай на її утримання фізики витрачають дуже багато сил. Все це дає надію на використання принципів прямого лазерного прискорення електронів у майбутніх повноцінних лінійних прискорювачах.
Про те, як майбутнє прискорювальної техніки бачать у ЦЕРНі, ми вже розповідали в матеріалі «100 ТЕВ на перспективу». Також фізики вже створили проект європейського кільватерного прискорювача, принципи роботи якого були згадані вище.