Фантастические времена уже близки

Координатор теоретической группы эксперимента AWAKE Константин Лотов - о перспективах революционного метода ускорения электронов
11.09.2018
Анна Урманцева

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, о революционном методе, "фантастической" плазме и миниатюрных ускорителях будущего "Известиям" рассказал главный научный сотрудник Института ядерной физики СО РАН, профессор Новосибирского государственного университета Константин Лотов.


Фото: ИЗВЕСТИЯ/Григорий Котельников

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
Фото: home.cern

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, все на добровольных началах делается: каждый участник финансируется своим институтом. Моя работа 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?

Все 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
Фото: home.cern/Maximilien Brice, Julien Ordan

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 восприняли, что эксперимент успешно завершен?

Спокойно. Мы были уверены в наших расчетах.

Сколько раз нужно запустить электроны, чтобы убедиться, что эксперимент 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

Читайте другие наши материалы