05.09.2018

В эксперименте AWAKE испытана новая схема ускорения электронов

Идея кильватерного ускорения электронов сверхсильным электрическом полем внутри плазменного пузырька сулит революцию в ускорительной физике. В принципе, эта методика уже была использована в эксперименте, но до реально работающих ускорителей на ее основе еще очень далеко. Совсем недавно эксперимент AWAKE в ЦЕРНе сделал большой шаг в этом направлении. В рекордной по размерам плазменной ячейке было продемонстрировано стабильное, воспроизводимое от раза к разу ускорение электронов, причем – с использованием длинных протонных сгустков, изначально для этой цели не предназначенных. Кильватерное ускорение постепенно превращается из технологического чуда в отлаженную технологию.

Оседлать волну

Большой адронный коллайдер до сих пор не нашел прямых свидетельств явлений за пределами Стандартной модели. Это заставляет физиков уже сейчас планировать новые ускорители, чтобы продвинуться еще глубже в познании микромира. К сожалению, эти ускорители будут очень большими, размером в десятки километров, и потому неизбежно очень дорогими. Например, в линейном электрон-позитронном коллайдере планируется ускорять частицы сильным электрическим полем на прямолинейной траектории. Это можно сделать с помощью стоячей электромагнитной волны в специальном металлическом сверхпроводящем резонаторе. Однако тут есть предел: электрическое поле сильнее пары десятков мегавольт на метр получить не удастся. Если мы хотим разогнать электроны до энергий 250 ГэВ, потребуется разность потенциалов в 250 гигавольт, а значит, придется строить ускорительный участок длиной как минимум 10 км для электронов и столько же – для позитронов.

Прорывным решением проблемы быстрого ускорения электронов может стать принципиально иная идея – кильватерное ускорение в плазме (см. FAQ: Лазерно-плазменные ускорители, «Постнаука»). В этой схеме сверхсильное электрическое поле создается не в металлической структуре, которая всё равно его не выдержит, а в плазме, точнее, внутри маленького движущегося вперед пузырька плазменного колебания. Этот пузырек можно породить, запустив в плазму драйвер – сверхсильный лазерный импульс или компактный сгусток частиц. Драйвер возбуждает в плазме сильное поперечное колебание электронов, которое в фазе разрежения и выглядит как положительно заряженный пузырек с отрицательно заряженной задней стенкой (рис. 2). Электронный сгусток влетает в этот пузырек, располагается внутри него рядом с задней стенкой, в области подталкивающего вперед поля, и, словно оседлав волну, за короткое время ускоряется до больших энергий. (Дополнительные подробности об этом механизме ускорения можно найти в популярной лекции Артема Коржиманова На гребне плазменной волны к четкому биоимиджингу и в лекции Константина Лотова Кильватерное ускорение частиц в плазме.)

Этот процесс выглядит очень сложным, но кильватерное ускорение реально работает. В 2006 году было продемонстрировано ускорение электронов до энергии 1 ГэВ на участке длиной чуть более 3 см, что отвечает ускоряющему полю напряженностью 30 ГВ/м. Это достижение открывает головокружительные перспективы: ведь тот же электрон-позитронный коллайдер на 500 ГэВ можно, казалось бы, уместить в сотню метров! Увы, не так всё просто. Во-первых, до сих пор методика кильватерного ускорения была продемонстрирована только в плазменных ячейках размером в сантиметры. Хотя схему пытаются масштабировать, стыкуя друг с другом несколько плазменных ячеек, до метровых размеров еще очень далеко. Во-вторых, ускоритель не должен слишком сильно размазывать сгусток ускоренных частиц ни в пространстве, ни по углам расхождения, ни по энергии, и достичь этого непросто.

В общем, хотя идея была в принципе реализована, до действующего ускорителя на ее основе всё еще очень далеко.

Несколько лет назад в ЦЕРНе стартовала работа над пионерским экспериментом AWAKE. Его целью должно стать превращение этой смелой идеи в надежную, стабильно работающую технологию. Главное новшество AWAKE – оригинальная схема ускорения, при которой драйвер (протонный сгусток) должен вначале сам испытать некоторое превращение, чтобы начать ускорять электроны (см. ниже). Важную роль в разработке эксперимента сыграли сотрудники Института ядерной физики имени Г. И. Будкера (см. пресс-релиз ИЯФ). В 2016 году работа вышла на финишную прямую, установка заработала, а в мае этого года на ней были проведены первые эксперименты, подтвердившие работоспособность идеи. Как сообщает статья коллаборации, опубликованная на днях в журнале Nature, в десятиметровой (!) плазменной ячейке продемонстрировано успешное устойчивое ускорение электронов с энергии 19 МэВ до 2 ГэВ.

Подробности эксперимента

Несмотря на то что метод кильватерного ускорения уже был продемонстрирован ранее – причем с гораздо большим ускоряющим градиентом, чем сейчас, – эксперимент AWAKE является большим шагом вперед. Во-первых, использованная в нем схема кильватерного ускорения, с одной стороны, более сложная, чем обычно, но с другой стороны, куда менее требовательна к протонному сгустку-драйверу. В ней потребовалась согласованная работа не двух, а сразу трех типов внешних воздействий: лазерного импульса, протонного сгустка и электронов. Но в результате для ускорения теперь можно использовать готовые протонные сгустки из церновского ускорителя SPS, которые изначально для этой цели даже близко не были предназначены.

Во-вторых, уже первые результаты такого тонкого эксперимента впечатляют своей чистотой и воспроизводимостью. Они демонстрируют отличное стабильное ускорение с минимальным разбросом по энергии, великолепный контроль, завидную повторяемость эксперимента. И если результаты экспериментов-предшественников выглядели как разовое достижение, почти как чудо, то работа установки AWAKE напоминает профессионально собранный, отлаженный, надежно работающий механизм.

После этого эмоционального комментария перейдем к описанию эксперимента (рис. 3). «Ареной действий» в эксперименте AWAKE выступает длинная, 10-метровая, плазменная ячейка, заполненная парами рубидия, которые испускают при нагреве две емкости, расположенные на обоих концах ячейки. Варьируя температуру нагрева со 160 до 210°C, физики могут держать плотность паров в диапазоне 10¹⁴–10¹⁵ см⁻³.

На вход ячейки поступают сразу три «участника процесса»: короткий лазерный импульс, длинный протонный сгусток-драйвер, и электроны, которые требуется ускорить (рис. 4). То, что с ними происходит дальше, напоминает слаженный танец элементарных частиц. Протонный сгусток, поставляемый церновским ускорителем SPS, достаточно мощный: 250–300 млрд протонов с энергией 400 ГэВ. Однако он не может сам по себе запустить те самые колебания, которые нужны для кильватерного ускорения. Во-первых, потому что он попадает не в плазму, а в слабо ионизированный газ, а во-вторых, потому что он слишком длинный.

На помощь протонному сгустку приходит короткий и мощный лазерный импульс. Он фокусируется в достаточно крупное поперечное пятнышко размером около 1 мм (протонный сгусток, для сравнения, имеет толщину 0,2 мм). В продольном направлении его протяженность – всего 1/30 мм, так что этот световой импульс имеет форму «блинчика», как показано на рис. 4. Этот импульс ионизирует атомы рубидия, превращая исходный атомный пар в плазму примерно той же электронной концентрации, однако само колебание в плазме он не запускает. Этот импульс летит вместе с протонным сгустком и, из-за малого углового расхождения, «пробивает» для него плазменный канал на всем протяжении ячейки.

Та часть длинного протонного сгустка, которая находится позади лазерного «блинчика», уже летит сквозь плазму. Протоны запускают плазменное колебание, электроны начинают расходиться и сходиться в поперечном направлении, что, в свою очередь, влияет на летящие протоны и заставляет их группироваться в соответствии с этими колебаниями. Происходит замечательное явление – появление микроструктуры (microbunching) в изначально ровном длинном протонном сгустке (рис. 5. Рисунок из доклада S. Gessner, 2017. AWAKE: The Proton Beam-Driven Plasma Wakefield Experiment). Он разбивается на отдельные микросгустки, которые располагаются в строго определенном месте электронного пузыря и без разрушений летят вдоль многометровой ячейки (см. видеоролик с моделированием этого процесса). Период этой структуры составляет 1–3 мм и зависит от периода плазменных колебаний; его можно настраивать, изменяя плотность паров рубидия.

Этот процесс и стабильность получившейся структуры – главная физическая изюминка эксперимента. Обратите внимание: протоны летят вперед с околосветовой скоростью. Электроны в плазме никуда особо не летят, они колеблются в основном в поперечной плоскости. Но электромагнитное взаимодействие между этими частицами приводит к устойчивому совокупному эффекту: в системе отсчета, сопровождающей протоны, структура получается на редкость стабильной. Причем настолько стабильной, что она может без вреда для себя поймать релятивистские электроны и ускорять их в стационарном режиме.

Впрочем, здесь не обошлось и без технических хитростей. Авторы статьи сообщают, что они научились дополнительно стабилизировать эту структуру. Если два источника рубидия на концах ячейки нагревать до разных температур, то в ячейке возникнет градиент плотности: она будет плавно снижаться от более горячего конца к более холодному. Распространяясь в такой среде, плазменные пузыри постепенно изменяют свой размер, что помогает подавить нестабильности. Коллаборация AWAKE обещает рассказать подробности про этот процесс в отдельной статье.

Когда плазменные пузыри уже достаточно оформились и разбили протонный пучок на стабильные микросгустки, летящая сквозь ячейку плазменно-протонная структура готова принять в себя электроны. Они запускаются в установку одновременно с лазерным импульсом и протонным сгустком, но с запозданием в 200 пикосекунд относительно лазерного «блинчика». Это соответствует нескольким десяткам размеров плазменных пузырей, что дает плазме время для образования устойчивой структуры. Электронный сгусток влетает в ячейку косо: не прямо вдоль оси, а слегка сбоку и под небольшим углом. Его траектория пересекает ось ячейки на расстоянии 2 метра от входа – и именно здесь происходит захват электронов в отдельные плазменные пузыри. Обратите внимание, что все участники этого процесса, включая начальные электроны со скромной энергией инжекции 19 МэВ, уже движутся со скоростями, близкими к скорости света. Поэтому разгон электронов практически не сказывается на их скорости. Электроны, «оседлав» кильватерную волну, летят в устойчивом относительно пузыря состоянии и просто накапливают энергию за счет сильного электрического поля внутри.

На выходе из ячейки электроны и протонный пучок проходят через систему диагностических мониторов. Она включает в себя несколько элементов, предназначенных для проверки микроструктуры протонного пучка, а также для измерения энергии разогнанных электронов. Это ключевое измерение выполняется очень элегантно. На пути пучков ставится магнит, который отклоняет электроны на угол, зависящий от их энергии. Протоны на это поле почти не реагируют, поскольку их импульс намного больше электронного. Электроны же, отклонившись, попадают на широкий, шириной в целый метр, сцинтилляционный экран. Их положение на экране прямо показывает их энергию (рис. 3 вверху справа). Просто и со вкусом.

Первые результаты

На рис. 6 показан типичный результат одного «выстрела» установки. Электронный сгусток оставил на экране компактный след, центр которого, если его пересчитать на энергию электронов, приходится на 800 МэВ. Энергетический разброс есть, но вполне умеренный, в пределах 10%.

Пожалуй, еще важнее то, что результат ускорения стабильно повторяется от выстрела к выстрелу. На рис. 7 показаны результаты почти двухсот «выстрелов», выполненные в течение двухчасового сеанса работы. Параметры процесса держались постоянными, и, как видно на рисунке, все горизонтальные полоски показали максимум интенсивности примерно на одинаковой энергии. Таким образом, процесс ускорения, несмотря на тонкие физические эффекты, воспроизводится прекрасно.

Что касается энергии, до которой разгоняются электроны, то здесь результаты, на первый взгляд, не слишком впечатляют. Максимальная достигнутая энергия составила примерно 2 ГэВ – и это на участке длиной в целых 10 метров. А ведь еще 10 лет назад удалось разогнать электроны до энергии 1 ГэВ на дистанции всего 3,3 см! Но это несоответствие чисел не должно обескураживать. Прошлые эксперименты как раз и были ограничены размерами. Физики просто не могли добиться такого же сверхбыстрого ускорения на более длинной дистанции и даже придумывали, как состыковать несколько плазменных ячеек сантиметровых размеров. Эксперимент AWAKE преодолел эти ограничения и реализовал процесс ускорения сразу в многометровой ячейке.

Второй важный момент: специалисты из AWAKE хорошо понимают, от каких параметров зависит максимальная энергия, достижимая в этой установке. Это, прежде всего, плотность плазмы: чем она выше, тем более компактными получаются плазменные пузыри и тем сильнее электрическое поле внутри. Во-вторых, оказалось, что даже небольшой, всего в несколько процентов, перепад плотности от начала к концу ячейки – тот самый, который стабилизирует пузыри, – заметно повышает энергию электронов на выходе. Перед тем как проводить эксперименты, физики, естественно, выполнили тщательное численное моделирование процесса ускорения, и их результаты вполне подтвердились экспериментальными данными.

Повышать энергию можно, в принципе, и дальше, но этому пока мешает другая трудность. Когда электронный сгусток влетает и попадает в область кильватерной волны, далеко не все электроны захватываются в плазменные пузыри. Даже для красивых картинок, приведенных на рис. 6 и 7, эффективность захвата составляла всего 0,1%. При повышении плотности, а значит, и энергии, эффективность лишь уменьшается: мелким плазменным пузырям труднее захватывать электроны. Но эта проблема не выглядит критичной. У физиков есть широкая свобода маневров в том, как запускать электронный сгусток: под каким углом, с какой задержкой и так далее. В будущем исследователи тщательно проверят зависимость эффективности захвата от всех этих параметров и подберут оптимальную конфигурацию.

В любом случае, это только начало – и начало многообещающее. Коллаборация AWAKE рассчитывала в этом году впервые продемонстрировать эту схему ускорения на такой длинной ячейке – и смогла. Процесс самопроизвольного возникновения микроструктуры протонного пучка укрощен. Ускорение идет, результаты вполне воспроизводимы и согласуются с численным моделированием. Критический этап пройден, и перед физиками теперь открывается обширное поле деятельности по поиску оптимального режима ускорения.

Источник: E. Aldi et al. (AWAKE Coll.). Acceleration of electrons in the plasma wakefield of a proton bunch // Nature. 2018. DOI: 10.1038/s41586-018-0485-4. Статья находится в свободном доступе и также доступна как препринт arXiv:1808.09759 [physics.acc-ph].

См. также:

1) Ч. Джоши, 2006. Плазменные ускорители.

2) А. Савельев-Трофимов. Лазерно-плазменные ускорители.

3) И. Иванов, 2009. Плазменный ускоритель электронов до ТэВных энергий.

Игорь Иванов

Источники:

1. elementy.ru