Наблюдая за электронами, которые были ускорены до чрезвычайно высоких энергий, ученые могут раскрыть подсказки о частицах, составляющих нашу вселенную.
Однако ускорение электронов до таких высоких энергий в лабораторных условиях является сложной задачей: обычно, чем энергичнее электроны, тем больше ускоритель частиц . Например, чтобы обнаружить бозон Хиггса — недавно наблюдаемую «частицу Бога», ответственную за массу во Вселенной, — ученые из лаборатории CERN в Швейцарии использовали ускоритель частиц длиной почти 17 миль.
Но что, если бы был способ уменьшить ускорители частиц , производя высокоэнергетические электроны на долю расстояния?
В статье, опубликованной в Physical Review Letters , ученые из Лаборатории лазерной энергетики (LLE) Университета Рочестера описали метод формирования интенсивного лазерного излучения таким образом, что электроны ускоряются для регистрации энергии на очень коротких расстояниях: исследователи считают, что ускоритель быть в 10 000 раз меньше, чем предлагаемая установка, регистрирующая аналогичную энергию, уменьшая ускоритель от почти длины Род-Айленда до длины обеденного стола. С такой технологией ученые могли бы проводить настольные эксперименты, чтобы исследовать бозон Хиггса или исследовать существование дополнительных измерений и новых частиц, которые могли бы привести к мечте Альберта Эйнштейна о великой объединенной теории вселенной.
«Электроны с более высокой энергией необходимы для изучения физики элементарных частиц», — говорит Джон Паластро, ученый из LLE и ведущий автор статьи. «Ускорители электронов дают нам зеркало в субатомный мир, населенный фундаментальными строительными блоками вселенной».
Хотя это исследование в настоящее время является теоретическим, LLE работает над тем, чтобы воплотить его в жизнь посредством планов по созданию самого мощного в мире лазера на LLE. Лазер, получивший название EP-OPAL, позволит исследователям создавать чрезвычайно мощные импульсные световые импульсы и технологии, описанные в этой статье.
Ускоритель электронов, описанный исследователями, использует революционную технику для формирования формы лазерных импульсов, чтобы их пики могли двигаться быстрее скорости света.
«Эта технология может позволить электронам ускоряться сверх того, что возможно с современными технологиями», — говорит Дастин Фрула, старший научный сотрудник LLE и один из авторов статьи.
Чтобы создать лазерные импульсы, исследователи разработали новую оптическую установку, напоминающую круглый амфитеатр с «ступенями» длины волны, используемой для создания временной задержки между концентрическими кольцами света, излучаемого мощным лазером.
Типичная линза фокусирует каждое кольцо света от лазера на одно расстояние от линзы, образуя одно пятно света высокой интенсивности. Однако вместо использования обычной линзы исследователи используют линзу экзотической формы, которая позволяет им фокусировать каждое кольцо света на различном расстоянии от линзы, создавая линию высокой интенсивности, а не одно пятно.
Когда этот скульптурный импульс света попадает в плазму — горячий суп из свободно движущихся электронов и ионов — он создает след, похожий на след за моторной лодкой. Этот след распространяется со скоростью света. Подобно водному лыжнику, едущему вслед за лодкой, электроны ускоряются, следуя за импульсами лазерного излучения.
Эти «лазерные ускорители кильватера» (LWFA) были впервые теоретизированы почти 40 лет назад и были усовершенствованы с помощью изобретения усиления чирпированного импульса (CPA), методики, разработанной в LLE лауреатами Нобелевской премии 2018 года Донной Стрикленд и Жераром Муру.
В предыдущих версиях LWFA, однако, использовались традиционные неструктурированные световые импульсы, которые распространялись медленнее, чем скорость света , что означало, что электроны будут опережать след, ограничивая их ускорение. Новые скульптурные световые импульсы обеспечивают скорость, превышающую скорость света, поэтому электроны могут двигаться по следу бесконечно и постоянно ускоряться.
«Эта работа является чрезвычайно инновационной и может изменить правила игры для лазерных ускорителей, — говорит Майкл Кэмпбелл, директор LLE. «Это исследование показывает ценность теоретической и экспериментальной физики плазмы, работающей в тесном сотрудничестве с выдающимися учеными и инженерами в области лазерных технологий, и представляет собой лучшее из культуры LLE».
Теги: лазер
