Настольные ускорители частиц

С появлением Большого адронного коллайдера физики постепенно
приближаются к верхнему пределу энергии, которую можно по-
лучить при помощи современного поколения ускорителей частиц.
Стоимость этих ускорителей исчисляется в десятках миллиардов
долларов, а по размеру они превосходят многие большие современ-
ные города. Они настолько грандиозны, что их строительство воз-
можно лишь при совместной деятельности нескольких государств.
Если мы хотим преодолеть барьер, ограничивающий возможности
традиционных ускорителей, то нам необходимы принципиально
новые идеи и подходы. Святой Грааль для физиков, занимающихся
частицами, — это создание «настольного» ускорителя частиц, ко-
торый сможет создать пучки с энергией в миллиарды электронвольт,
существенно экономя на размерах и стоимости по сравнению с тра-
диционными ускорителями.

Чтобы понять, в чем заключается проблема, представьте себе эста-
фету, участники которой расставлены по кругу вдоль длинной бего-
вой дорожки. Соревнуясь в беге, участники передают друг другу па-
лочку. Теперь представьте, что каждый раз, когда палочка переходит
от одного бегуна к другому, участникам сообщается дополнительная
энергия, то есть они начинают бежать все быстрее и быстрее.

Нечто похожее наблюдается в ускорителе частиц, где роль палоч-
ки выполняет пучок субатомных частиц, которые двигаются по кругу.
Каждый раз, когда пучок переходит от одного участника к другому, в
пучок инжектируется высокочастотная энергия, все больше и боль-
ше разгоняя его. По такому принципу строились ускорители частиц
на протяжении последних пятидесяти лет. Проблема традиционных
ускорителей частиц состоит в том, что мы подходим к пределу высо-
кочастотной энергии, которую можно использовать для приведения
ускорителя частиц в действие.

Для решения этой досадной проблемы ученые экспериментиру-
ют с кардинально новыми способами закачки энергии в пучок, на-
пример использованием мощныхлазерныхлучей, мощность которых

экспоненциально растет. Одним из преимуществ лазерного света
является его «когерентность», то есть все световые волны вибриру-
ют точно в унисон, благодаря чему возможно создание невероятно
мощных лучей. Сегодня лазерные лучи могут генерировать мощный
энергетический импульс в триллионы ватт (тераватты) мощности за
короткий промежуток времени. (Для сравнения, атомная электро-
станция способна генерировать какой-то несчастный миллиард
ватт мощности, но она стабильна). В настоящее время становится
возможным использование лазеров, которые могут генерировать до
тысячи триллионов ватт (квадриллион ватт, или петаватт).

Лазерные ускорители частиц работают по следующему принци-
пу. Лазерный свет достаточно горяч, чтобы создать газ из плазмы
(скопления ионизированных атомов), который затем движется с
волнообразными колебаниями на высоких скоростях, подобно при-
ливной волне. Затем пучок субатомных частиц ловит эту попутную
волну плазмы. При инжектировании большего количества лазерной
энергии движение волны плазмы ускоряется, сообщая дополни-
тельную энергию пучку частиц на этой волне. Недавно ученым из
Лаборатории Резерфорда-Эпплтона в Англии удалось, направив
лазер в 50 тераватт в твердую цель, произвести пучок протонов,
несущий до 400 миллионов электронвольт (МэВ) энергии в колли-
мированном пучке. Физики из Парижской политехнической школы
разогнали электроны до 200 МэВ на расстоянии в один миллиметр.

Созданные на данный момент лазерные ускорители частиц от-
личаются малыми размерами и небольшой мощностью. Но пред-
ставим на секунду, что масштабы такого ускорителя частиц можно
увеличить таким образом, чтобы он работал на расстоянии не мил-
лиметра, а целого метра. Тогда он мог бы разогнать электроны до
200 ГэВ на расстоянии одного метра; тем самым была бы достигнута
цель создания настольного ускорителя частиц. Еще одним важным
этапом стало ускорение электронов на расстоянии 1, 4 метра фи-
зиками из Стэнфордского центра линейного ускорителя (SLAC)
в 2001 году. Вместо лазерного луча они создали плазменную волну
путем инжектирования пучка заряженных частиц. Хотя полученная
ими энергия была достаточно низкой, этот опыт продемонстриро-
вал, что плазменные волны могут ускорять частицы на расстоянии
метра.

Темпы исследований в этой перспективной области очень высо-
ки: энергия, достигаемая при помощи этих ускорителей, возрастает
в 10 раз каждые пять лет. При таком развитии событий уже не за го-
рами создание прототипа настольного ускорителя частиц. Если это
предприятие окажется успешным, то Большой адронный коллайдер
будет смотреться как последний динозавр. Какой бы перспективной
ни казалась эта затея, на пути ее реализации стоит множество пре-
град. Подобно серфингисту, которому сложно не упасть, катаясь на
предательской волне, очень сложно поддержать пучок так, чтобы
он должным образом «ехал» на плазменной волне (в число про-
блем входит фокусировка пучка и поддержание его стабильности и
интенсивности). Однако ни одна из этих проблем не представляется
непреодолимой.