Ускорение частиц в плазме Лотов Константин Владимирович ИЯФ им Г.И.Будкера СО РАН, Новосибирск

Зачем нужно ускорять частицы? В повседневной жизниДля физики высоких энергий Для генерации излучения Для лечения людей

«Традиционные» ускорители дали нам Знания...

... но с каждым шагом размер установок возрастал...

... и дошел до предела. Радиус поворота: B = 8 T, энергия 7 ТэВ, радиус 3 км (4.3 км у БАК) Синхротронное излучение: Электроны с энергией >100 ГэВ трудно повернуть Темп ускорения: 500 ГэВ / 31.5 МэВ/м = 16 км (половина) Стоимость: 6 Г$ за БАК

Темп ускорения – один из «пределов» Stanford Linear Collider, 20 МэВ/м (1990) International Linear Collider, 31.5 МэВ/м (2020) Проблема – электрический пробой. Поле достаточно сильно, чтобы вырывать электроны из металла Плазма: вещество уже разрушено, сильного поля не боится Если в слое воздуха толщиной 1 мм убрать по одному электрону из атома, то будет поле В/м = 500 ТВ/м Но как это сделать?

Плазменная волна Поддерживать статическое поле такой напряженности невозможно => колебания, ленгмюровская (плазменная) волна. Частота волны Чтобы ускорять частицы до большой энергии, волна должна бежать со скоростью света: Значит, длина волны должна быть строго определенной: Как? Пусть волну создаст компактный объект, летящий (почти) со скоростью света:

Кильватерное ускорение Драйвер: короткий и плотный сгусток заряженных частиц или мощный лазерный импульс. Он летит сквозь плазму и толкает ее частицы своим электрическим полем или пондеромоторной силой. Тяжелые ионы плазмы остаются неподвижными, электроны начинают колебаться около положений равновесия => разделение зарядов и электрическое поле Вся картина летит со скоростью драйвера (c) => продолжительное ускорение частиц, помещенных в нужную фазу волны

Кильватерное ускорение Характерные масштабы: Если плотность плазмы см -3, то поле 300 ГВ/м, но размер 2 мкм ! Кстати, энергозапас плазменной волны порядка энергии покоя электронов в том же объеме проблема

Возбуждение волны Для возбуждения волны драйвер должен иметь хотя бы один резкий фронт

Нужен качественный пучок-драйвер (короткий, плотный, хорошо сфокусированный и продольно сжатый), т.е. нужен хороший обычный ускоритель. Эксперименты привязаны к ускорительным лабораториям. Цель – предельные энергии (ТэВ). Два типа драйверов Заряженные сгустки (электроны, протоны) = трансформатор энергии Лазерный импульс = генератор пучков частиц Нужен короткий и мощный лазерный импульс. Эксперименты «университетского» масштаба. Цель – настольный ускоритель умеренной энергии (1-10 ГэВ).

Эксперименты с заряженными драйверами

Эксперименты в Стенфорде ( ) Исследованы все доступные режимы Продемонстрировано согласие с теорией +42 ГэВ в 85 см плазме

Эксперименты с заряженными драйверами

x

K.Lotov, Budker INP, presented at JAAWS, Pohang, KEK UCLA LANL SLAC BNL ANL KIPT BINP CERN Yerevan K.Lotov, Budker INP, presented at JAAWS, Pohang, PWFA world LNF DESY

Эксперименты с лазерными драйверами

Движущая сила – развитие мощных лазеров

Как выглядит эксперимент 1 ГэВ электроны в 3.3 см плазмы (2006): 30 пКл, 2.5% энергоразброс, 1.6 мрад

Новый «Livingston plot»

Как выглядит эксперимент 1 ГэВ электроны в 3.3 см плазмы (2006): 30 пКл, 2.5% энергоразброс, 1.6 мрад

Генерация излучения По причине своих малых размеров, электронный сгусток из лазерного кильватерного ускорителя имеет малый эмиттанс и, при условии малого энергетического разброса, способен генерировать короткую и яркую вспышку УФ или рентгеновского излучения. Нужно всего-то уменьшить энергоразброс с 2% до 0.1%

Основная проблема – быстрый рост Prof. Dr. Wolfgang Sandner, президент Германского физического общества: Ralph Assmann, CERN (a scientific coordinator, PDPWA collaboration): 2011

Спасибо за внимание

Разрушение длинного электронного сгустка в плазме

Оптимальное ускорение: два электронных сгустка

Более реалистичные электронные сгустки

Захват внешних электронов в кильватерную волну (сторонняя инжекция)