Ускоритель частиц длиной в километры может воплотить большую науку, но бригада физиков сделала ключевой шаг к выполнению той же работы с намного меньшей машиной. Бригада нанесла на карту поток в экспериментальном типе акселератора — известный как плазменный уэйкфилдский акселератор — и показанный, что это может эффективно произвести интенсивный луч электронов, ускоренных к точно определенной энергии. Много проблем остаются, но некоторые физики надеются, что когда-нибудь такая схема могла бы использоваться для создания намного меньших коллайдеров частицы.
«Это – конечно, важный шаг», говорит Джеральд Дугэн, физик акселератора и почетный профессор в Корнелльском университете, не вовлеченный в работу. «Одновременно существует длинный путь для движения» в разрабатывание практической технологии.Ускорители частиц являются существенными инструментами для многих типов науки. Физики используют их в ускорителях ядерных частиц — таких как Коллайдер Адрона 27 километров длиной шириной в Швейцарии. Материаловеды и структурные биологи изучают образцы с помощью рентгеновских лучей, излученных лучами в электронных акселераторах.
Акселераторы, как правило, измеряют сотни или тысячи метров в длине и стоят сотен миллионов долларов.Это частично, потому что стандартный акселератор может повысить энергию частицы только настолько быстро.
Для ускорения заряженных частиц, таких как электроны физики стреляют в связки их через барокамеру, названную радиочастотной (RF) каверной, оглашающейся радиоволнами очень, как труба органа оглашается звуковыми волнами. Электроны получают энергию путем серфинга радиоволн, и темп ускорения зависит на основании колеблющегося электрического поля в волнах.
Но существует предел тому, как сильный, которым может быть область. Если это будет слишком сильно, то это разорвет электроны из металлических стен каверны и произведет искры, которые могут повредить машину.
Из-за того предела богатые энергией акселераторы должны быть длинными. Например, много физиков частицы надеются построить коллайдер с помощью двух противостоящих прямо застреленных линейных акселераторов для увольнения луча электронов в луч позитронов в энергиях 500 gigaelectron В (ГэВ). Для достижения желаемой энергии предложенный Международный линейный коллайдер (ILC), который мог бы быть построен в Японии, должен будет быть 40 километров длиной.
Но существует другая возможность. Физики могут оставить каверны RF и создать ускоряющиеся области сотни времен, более сильных в плазме — газ, возбужденный так, чтобы атомы распались на электроны и ионы. Исследователи запускают в плазму пульс электронов или лазерного света. Та «связка двигателя» пашет в стороне отрицательно заряженные электроны в плазме, но только сдвигает более тяжелые положительно заряженные ионы с места.
Таким образом по его следу, пузырь положительного заряда открывается, сопровождаемый узлом отрицательного заряда, поскольку электроны плазмы текут назад вместе. В результате след связки двигателя производит огромное электрическое поле, которое может ускорить другие электроны как быстроходный катер, тянущий воднолыжника.
Семь лет назад исследователи в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Менло-Парке, Калифорния, показали, что они могли достигнуть очень высоких энергий путем стрельбы в связку двигателя электронов от знаменитого линейного акселератора лаборатории 3 километра длиной в камеру литиевой плазмы. В меньше чем метре это ускорило беспризорные электроны от плазмы до энергий целых 85 ГэВ — дважды входная энергия. Но были ускорены только несколько электронов, и они выпустили очень широкий спектр энергий, неподходящих для примерно любого применения.
Теперь, бригада SLAC пошла далее путем размещения специально сделанной на заказ связки перемещения электронов 200 микрометров позади связки двигателя — впечатляющий подвиг, учитывая, что оба движения с близкой скоростью света. Для управления той уловкой бригада фактически делит единственную связку электронов от линейного акселератора SLAC в большую связку двигателя и меньшую связку перемещения, как бригада сообщает на этой неделе по своей природе.
В дополнение к увеличению числа электронов, ускоряющихся, сама тянущаяся связка выравнивает электрическое поле по следу так, чтобы все электроны испытали подобное ускорение, уменьшив энергетическое распространение до 1%. Кардинально, значительная связка перемещения впитывает энергию, потерянную лучом двигателя с более высокой эффективностью, поскольку это изменяет масштаб изображения от 20 ГэВ до 22 ГэВ более чем 36 сантиметров.
Такая эффективность является основным параметром и достигнутым уровнем — 18% — близко к тому, что необходимо для создания практического акселератора, говорит Марк Хогэн SLAC.«Это – огромный шаг вперед», говорит Томас Кэтсуис, инженер и физик в Университете Дюка в Дареме, Северная Каролина, кто не был вовлечен в исследование.
Энергетическое распространение и эффективность все еще должны быть улучшены, он говорит, но «мы говорим фактор приблизительно 2, тогда как, прежде чем мы говорили два порядка величины».Однако, много проблем остаются, особенно когда дело доходит до помещения управляемой электроном системы к практическому применению. Принимая во внимание, что управляемая лазером система могла потенциально использоваться для включения компактного источника рентгеновских лучей, управляемая электроном система как та в SLAC, вероятно, будет хороша только для строительства коллайдера для физики элементарных частиц. Поэтому это все еще требует, чтобы стандартный акселератор произвел электроны, говорит Майкл Даунер, физик в университете Техаса, Остина.
Для соответствия энергии предложенного ILC физики должны были бы передать электронную связку через сотни плазмацитов подряд, Даунер говорит, и никто не продемонстрировал такую «организацию» до сих пор.Еще более важный, для создания коллайдера как ILC схема бригада SLAC используемый должна была бы быть изменена для ускорения позитронов, которые будут взаимодействовать с плазмой по-другому от электронов. Никто не знает, как сделать это, говорит Даунер.
Увеличивание скорость позитронов «о факторе в 10 раз более трудных», чем ускоряющиеся электроны, оценки Даунера.