Физики-теоретики из Сибири создали теоретическую модель ускорения электронов с помощью волны, образованной протонами в плазме. Правильность расчетов была подтверждена в рамках эксперимента AWAKE, начавшегося недавно в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Удалось ускорить электроны новым методом, обещающим в будущем увеличить энергию электронов в 100 раз по сравнению с современными достижениями. О рекорде, революционном методе, «фантастической» плазме и миниатюрных ускорителях будущего «Известиям» рассказал главный научный сотрудник Института ядерной физики СО РАН, профессор Новосибирского государственного университета Константин Лотов.
— Константин Владимирович, физики-теоретики, участвовавшие в этом эксперименте, называют друг друга кильватерщиками. Почему так?
— Мы занимаемся кильватерным ускорением. Это особый метод, который предполагает, что впереди идет какой-то первичный пучок (драйвер), а уже за ним следуют электроны. Можно сравнить это со следом за кораблем, по которому мчится серфер.
— Зачем нужен новый способ ускорения электронов?
— Человечество научилось ускорять протоны до очень большой энергии, а вот электроны получается ускорить до энергии, в 100 раз меньшей. Наша идея состоит в том, что мы подцепляем электроны к протонам и, таким образом, ускоряем электроны до протонного потолка.
— Зачем вообще физикам понадобилось ускорять электроны?
— Это способ разобраться в устройстве нашего мира. Сначала нужно понять, как устроены кварки, а в конечном счете — как устроена Вселенная. Это новый инструмент для физических исследований. Какие-то инструменты, конечно, уже существуют — это Большой адронный коллайдер (разгоняет только протоны), нейтринные обсерватории. Они дают информацию, но хочется знать больше. Эксперимент AWAKE призван в будущем дать в руки физиков новый, более мощный инструмент для исследований.
Во время подготовки эксперимента AWAKE в ЦЕРНе
— Сколько кильватерщиков во всем мире?
— Десятки научных лабораторий и институтов. Около ста человек были привлечены к эксперименту AWAKE. В нашем институте человек десять занимаются этой тематикой. У меня обе диссертации были посвящены разным способам кильватерного ускорения.
— Теоретиков вы отбирали для работы?
— Они сами изъявляют желание работать. Это были ученые из нескольких стран. Можно сказать, всё на добровольных началах делается: каждый участник финансируется своим институтом. Моя работа как координатора состоит именно в координации. Я говорю, какая проблема на данный момент важна, что нужно просчитать именно сейчас, на что нужно выделить человека.
— И тем не менее все говорят, что «мозги эксперимента» находились в России…
— Скажем так: больше половины ответов, которые дали теоретики, были нашими ответами. Кроме нас португальская группа очень сильно вложилась в проект и университет Дюссельдорфа, в котором работает наш соотечественник Александр Пухов.
— Действительно ли экспериментаторы смогли получить такую однородную плазму, которую еще в условиях Земли получать не удавалось?
— Да, и изначально наши расчеты очень испугали экспериментаторов. Нужно было в трубе длиной 10 м и радиусом 4 см создать однородную плазму с постоянной плотностью по всей трубке. Мы определили величину отклонения плотности — 0,2%. Это была теоретическая работа. До этого, в других экспериментах, величина отклонения была не менее 5%. Если не говорить, каким образом эта плазма создана, любой плазмист скажет, что это фантастика.
— Что же фантастического в такой плазме?
— Ну представьте, что вы строгаете доску. Вы можете сделать ее шероховатой, а можете очень гладкой. Приходит человек и говорит: «Сделайте мне доску такую гладкую, чтобы в нее можно было, как в зеркало, смотреться». Любой плотник скажет, что это невозможно. Мы же посчитали, что возможно, и поняли, что для этого нужно. И только в такой плазме электроны смогли пролететь с таким большим ускорением.
— Вначале вы создали теоретическую модель, а потом уже начался эксперимент?
— Всё происходило параллельно. Ведь всегда что-то не получается, нужно быстро включиться и просчитать варианты. Например, в случае AWAKE ключевым вопросом был способ запуска электронов: как электроны попадут в трубу, чтобы дожить до плазмы и ускориться? Сначала мы предложили: «Давайте проделаем дырочку в трубе сбоку». Некоторое время это было базовым вариантом проекта, обсуждалось, как это сделать, писались статьи с расчетами — техническими деталями. Но на одном из собраний экспериментаторы сказали: «Ребята, ничего не получается. Если в трубе сделать дырку, плазма уже не будет такой ровной». В переводе на наш «плотницкий пример» это звучит так: если в доску вбить гвоздь, смотреться в нее, как в зеркало, уже не получится. Мы подумали еще и нашли способ запуска через торцевое отверстие «под углом». И «кривой вариант» сработал.
Финальная часть эксперимента AWAKE
— Почему сработал именно кривой? Они отталкиваются от чего-то?
— Есть нежелательная область на входе, мимо которой неплохо бы пройти. Если говорить языком аналогий, есть прямая дорога через лес, в лесу разбойники, поэтому надо кривой дорогой вокруг леса обойти.
— Что же в трубе с плазмой играет роль разбойников?
— Между однородной плазмой в термостатированной трубе и вакуумом, по которому пучок протонов подлетает к этой трубе, есть переходная область, в которой плотность плазмы меняется, возникают электрические поля. Мы их можем рассчитать, но не можем контролировать. Эти электрические поля способны выкинуть электронный сгусток на стенку, и он до нашей однородной плазмы никогда не долетит.
— Как вы узнали, что ваши расчеты подтвердились и эксперимент успешно завершен?
— По электронной почте. Есть рассылка по участникам коллаборации о прогрессе. Например, успешно прошел протонный пучок, успешно прошел лазерный импульс, который нужен для самомодуляции, успешно заработала плазма. Мне написали: успешно прошел эксперимент.
— И как вы это восприняли?
— Спокойно. Мы были уверены в наших расчетах.
— Сколько раз нужно запустить электроны, чтобы убедиться, что эксперимент действительно успешен и это не ошибка оборудования?
— По факту между первым успешным выстрелом, который уже можно «показывать» в научной статье, и обнародованием результатов проходит довольно много времени. В течение него люди стреляют десятки тысяч раз. Выстрел — это же быстро!
— Действительно ли метод кильватерного ускорения поможет строить маленькие коллайдеры?
— Поможет. Но не коллайдеры, а уникальные источники излучения. И не совсем тот вид ускорения, который применялся в эксперименте AWAKE. Существует три направления кильватерного ускорения: протонное, электронное, лазерное. AWAKE — это протонное ускорение, для него нужен большой ускоритель протонов. А вот для лазерного кильватерного ускорения может использоваться прибор размером со стол. Эти фантастические времена уже близки. Волна в таких приборах будет создаваться не протонным пучком из огромного церновского комплекса, а настольным лазером. Длина плазмы будет равняться нескольким миллиметрам. С одной стороны влетает лазер, с другой стороны вылетают ускоренные электроны или рентгеновский импульс. Когда-нибудь каждый университет сможет купить себе такую установку.
Источник: Известия