13 апреля 2009 г.

Плазменный ускоритель электронов до Тэвных энергий

В журнале Nature Physics опубликована статья Proton-driven plasma-wakefield acceleration про перспективную технологию кильватерного ускорения электронов в плазме аж до ТэВных энергий. Статья доступна также в епринт-архиве: arXiv:0807.4599. Кстати, один из авторов работы -- Константин Лотов из Новосибирска, который уже более 10 лет занимается этой темой (см. его популярную лекцию для студентов НГУ про кильватерное ускорение).

Вообще, в современных ускорителях частицы всегда ускоряются электрическим полем. Чем сильнее поле, тем быстрее идет набор энергии пролетающей частицей. В нынешних ускорителях используются поля напряженностью в мегавольты на метр. Это, конечно, пожет показаться страшно сильным полем, но для современной физики элементарных частиц это очень мало: ведь для того, чтобы набрать энергию в 1 ТэВ, частице придется пролететь сотни километров(!) в поле такой напряженности.

У этой технологии есть физический предел: поля напряженностью заметно выше 100 МВ/м начнут вырывать электроны из металла и приведут к пробою ускоряющей камеры. Более сильные электрические поля можно получить, только если изменить саму среду, в которой поддерживаются такие поля. Например, можно взять плазму и запустить в нее короткий электронный сгусток, который возбудит в плазме колебание с напряженностью электрического поля в многие гигавольты на метр. Если вслед за первым сгустком, на небольшом расстоянии от него, запустить второй электронный сгусток, то это колебание подхватит его и начнет его ускорять (см. анимацию).

Вообще, этой идее уже больше полувека. (Для знакомства с этой технологией могу порекомендовать хорошую популярную статью в журнале "В мире науки" за 2006; см. также подборку ссылок на новые результаты в моей недавней записи.) В последние 10-15 лет в этой области пошел быстрый прогресс, и сейчас рекордные градиенты составляют десятки ГВ/м. Однако удается такие сильные поля поддерживать лишь на дистанции в несколько сантиметров, так что конечная энергия электронов всё равно остается не очень большой, порядка 1 ГэВ. Для того, чтобы достичь существенно больших энергий, требуется либо научиться состыковывать в ряд много таких коротких миниускорителей, либо как-то удлинить эту дистанцию в одном ускорителе.

В свежей статье как раз и предлагается перспективный метод решения этой задачи. Почему дистанция получается такой короткой при обычной методике? Потому что колебание в плазме порождается головным электронным сгустков (драйвером), который довольно быстро теряет свою энергию. В новой статье рассматривается (пока что теоретически) вариант, при котором в качестве драйвера используется короткий протонный сгусток Тэвных энергий.

Да, для разгона электронов до Тэвных энергий требуется сначала запустить в плазму протонный пучок с аналогичной энергией. Но это не проблема -- протоны разгонять до Тэвных энергий намного проще, чем электроны (номинальная энергия протонов на LHC -- 7 ТэВ, а энергия электронов в предыдущем ЦЕРНовском ускорителе, LEP, чуть больше 100 ГэВ). Главная проблема для практической реализации в другом -- получить короткие протонные сгустки. Сейчас на LHC, в проектном режиме работы, протонные сгустки будут иметь порядка 10 см в длину. А для кильватерного ускорения сгустки должны быть порядка 0,1 миллиметра, т.е. в тысячу раз короче.

Но если это удастся сделать, то, как показывают расчеты в статье, протонный пучок может "вести" и ускорять электронный очень долго, на дистанции в сотни метров. Ускоряющее поле можно будет сделать порядка 2-3 ГВ/м, что даст энергию электронов порядка 1 ТэВ на выходе. Там еще требуются некоторые ухищрения для того, чтобы "голова" протонного сгустка не убегала вперед, но это вполне реализуемо. Главное -- это сделать короткие протонные пучки.


Схема кильватерного ускорителя на протонном сгустке. На врезке показано, что протонный сгусток создает в плазме "электронный пузырь", граница которого подхватывает, ускоряет и автоматически фокусирует электронный сгусток. Рис. из статьи в Nature Physics.

Как изменяется энергия и относительная продольная координата протонного и электронного сгустков при прохождении дистанции в 0, 150, 300, 450 метров. Рис. из статьи в Nature Physics.
В общем, если я в предыдущем посте писал, что плазменные ускорители не смогут в ближайшие десятилетия заменить крупные коллайдеры, то теперь на всякий случай беру свои слова обратно. Может быть, через десяток лет окажется, что эта технология уже станет реализуемой и составит конкуренцию обычной технологии для линейного электрон-позитронного коллайдера.

22 комментария:

  1. Игорь, во первых разрешите поблагодарить за Ваши усилия по осмыслению мира. Достаточно случайно просмотрел видео с Вышего выступления перед школьниками в сентябре 2007 года "Удивительный мир внутри атомного ядра". Вызывает глубокое уважение. Благодарю. Если не трудно, прошу прокомментировать высказанный Вами теоретический тезис связанный с хигиссовским полем как механизме появления массы. Мне кажется, что масса является следствием эффекта инерции, а не торможения. Эффект торможения приводит к объему энергии у объекта и его остановке...

    ОтветитьУдалить
  2. Всегда пожалуйста. :)

    Масса и инерция -- одно и то же по сути. Хиггсовский механизм придает частицам инерцию, т.е. у них появляется масса. Никакого торможения хиггсовский механизм и не привносит -- условно говоря, хиггсовское поле мешает не движению, а ускорению. А вообще, на "Элементах" есть проект про LHC, и там есть страничка с популярным объяснением хиггсовского механизма.

    ОтветитьУдалить
  3. Игорь, спасибо. Будем повышать свою образованность.

    ОтветитьУдалить
  4. Анонимный14/4/09 13:42

    Я так понимаю есть вероятность, что когда нибудь ускоритель в церне обратно переделают в электронный. :-)

    ОтветитьУдалить
  5. Только не переделают, а добавят. Электрон-позитронный коллайдер на еще большую энергию, чем LEP, будет обазятельно линейным, поскольку на кольцевом будет тратиться неподъемно огромная мощность на синхротронное излучение. Поэтому могут просто прорыть новый линейный туннель под этот коллайдер. Вообще-то, такие планы вынашиваются и сейчас -- туннель в несколько десятков километров для ILC по классической технологии ускорения. Если заработает новая технология. то возможно туннель придется делать намного короче.

    ОтветитьУдалить
  6. Анонимный14/4/09 16:02

    А вы считаете что он - Коллайдер вообще будет работать? Неприятно это говорить - но что то он далек от науки!

    ОтветитьУдалить
  7. Вообще-то, коллайдеров построили уже много, и все они работали. Заработает и LHC, который Вы называете Коллайдером с большой буквы :). Работа коллайдера -- это скорее техника, а не наука. Наука будет, когда пойдут результаты.

    ОтветитьУдалить
  8. Игорь, доброго времени суток. Скажите, а что Вы думаете про беспокойство многих, что коллайдер может привести к возникновению "черной дыры".

    ОтветитьУдалить
  9. Про это всё (и многое другое про LHC) я уже подробно написал на Элементах.

    ОтветитьУдалить
  10. Здравствуйте, а что слышно о строительстве электрон позитронного ILС, его вроде в Дубне хотели построить, но потом решение так и не было принято. Наверно теперь есть смысл сделать некий "ILC под LHC"
    Нашел кажись оффициальный сайт проекта, но ничего там не понял.http://www.linearcollider.org/

    ОтветитьУдалить
  11. Где будут строить ILC, пока еще не решено. Дубна предлагает строить у них. ЦЕРН -- тоже. Может быть, еще и другие варианты, не помню. Но все они пока лишь остаются предложениями, которые будут долго рассматривать и взвешивать. Я не думаю, что какое-то окончательное решение будет принято в ближайшие пару лет. Вначале надо, чтоб LHC нашел что-то интересное, тогда уже можно вообще говорить о постройке ILC.

    ОтветитьУдалить
  12. Поправка: "ЦЕРН -- тоже" означает "ЦЕРН предлагает строить у себя".

    ОтветитьУдалить
  13. А протоны за счет ядер свинца подобным образом разгонять не выйдет?

    ОтветитьУдалить
  14. Ускорение идет через плазму, а не непосредственно от электрического поля "драйвера" к разгоняемому сгустку. Я сомневаюсь, что сгустком ядер можно получить пропорционально большие поля. Т.е. то же плазменное колебание будет пытаться разогнать протоны. Это, в принципе, можно устроить, но только надо сначала получить не менее ультрарелятивистский сгусток ядер, а где их взять?

    А вообще это для протонов просто неактуально. Протоны можно разгонять до ТэВных энергий и в циклических ускорителях. А электроны в циклических ускорителях страшно теряют энергию за счет синхротронного излучения (мощность потерь растет как четвертая степень энергии), поэтому выше 100 ГэВ энергию электронов поднимать совершенно нерентабельно. Именно поэтому электрон-позитронный коллайдер на 1 ТэВ должен быть линейным. Но при текущей технологии он будет длиной в несколько десятков км. Вот тут новая технология может оказаться очень полезна.

    ОтветитьУдалить
  15. Анонимный17/4/09 15:34

    Помнится, была идея Кольцевого Мюонного Коллайдера, ведь для мюонов можно достичь ТэВ-ных энергий почти без синхротронных потерь, есть ли продвижения на этом фронте?

    В чем (и есть она ли вообще) принципиальная разница в продуктах реакции электрон-электронных столкновений или мюон-мюонных (при одинаковой энергии на частицу).

    ОтветитьУдалить
  16. Продвижения только теоретические, настолько я слышал. Мюонный коллайдер рассматривается только в качестве следующего коллайдера после линейного электрон-позитронного.

    Я знаю только одно принципиально важное отличие: на мюонном коллайдере хиггсовкий бозон будет рождаться в s-канале, т.к. у него прямая константа связи с мюонами намного больше. Вкупе с ожидаемым очень маленьким разбросом по энергии мюонный коллайдер будет идеальной машиной для прецизионного исследования какого-нибудь запутанного варианта хиггсовского механизма.

    ОтветитьУдалить
  17. Анонимный19/4/09 10:55

    Я так понял отношение энергии на частицу в драйвере и в разгоняеном сгустке не больше чем 1:3. Какое отношение предпологаеться для протонного драйвера?

    ОтветитьУдалить
  18. Утверждается, что для электронного драйвера отношение макс. энергии ускоряемым частиц к макс. энергии частиц в драйвере не превышает 2 (для симметричных в продольном направлении сгустков).

    Каково максимальное значение этого отношения в случае протонного драйвера, не обсуждается. Судя по второй картинке, получается примерно половинка в этой конаретно схеме. Но это совершенно некритично в данном случае -- ведь протоны до ТэВных энергий разгонять достаточно просто.

    ОтветитьУдалить
  19. Анонимный20/4/09 12:36

    Игорь, интересно вот что, а не является ли хигиссовское поле той избранной системой отсчета наличие которой исключила СТО?

    ОтветитьУдалить
  20. Давайте переформулирую Ваш вопрос, чтоб он более корректно звучал: не приводит ли ненулевое вакуумное ожидание хиггсовского поля к существованию выделенной системы отсчета, как-то связанной с этим хиггсовским конденсатом?

    Ответ -- нет, не приводит. Вакуум в квантовой теории поля определяется как релятивистски-инвариантное состояние поля. Т.е. вакуум "выглядит" одинаково во всех системах отсчета. Хиггсовский вакуум с ненулевым вакуумным средним обладаем тем же свойством.

    ОтветитьУдалить
  21. Анонимный23/4/09 21:11

    у меня простой вопрос.
    Значит, электроны разгонять сложнее, чем более массивные протоны только лишь из-за наличия при разгоне первых синхротронного излучения?

    ОтветитьУдалить
  22. Так фраза звучит некорректно; правильнее -- электроны разогнять до энергий выше 100 ГэВ труднее, потому что для их разгона на циклических ускорителях тратится слишком много мощности на синхротронное излучение, а при разгоне на линейных ускорителях получится слишком большая длина ускорителя.

    ОтветитьУдалить