W Przebudźcie eksperymencie testowano nowy system przyspieszania elektronów • Igor Iwanow • Nauka Wiadomości na temat „Elements” • akcelerator fizyki i technologii, Nauki detektora w Rosji

Eksperyment AWAKE przetestował nowy schemat akceleracji elektronów.

Ryc. 1. Przygotowanie eksperymentu AWAKE w CERN. Zdjęcia z home.cern

Idea przyspieszenia elektronu wzbudzenia przez super silne pole elektryczne wewnątrz bańki plazmowej zapowiada rewolucję w fizyce akceleratora. Zasadniczo technika ta została już wykorzystana w eksperymencie, ale naprawdę działające akceleratory oparte na niej są nadal bardzo odległe. Niedawno eksperyment AWAKE w CERN poczynił duży krok w tym kierunku. Stabilne, odtwarzalne przyspieszenie elektronów od czasu do czasu zostało wykazane w rekordowej wielkości komórce plazmowej i przy użyciu długich wiązek protonów, które pierwotnie nie były przeznaczone do tego celu. Gorączka wzbudzenia stopniowo przechodzi od cudu technologicznego w usprawnioną technologię.

Jedź falą

Wielki Zderzacz Hadronów nie znalazł jeszcze bezpośrednich dowodów na zjawiska wykraczające poza Model Standardowy. Zmusza to fizyków do planowania nowych akceleratorów w celu pogłębienia wiedzy o mikroświecie (patrz: gdzie fizyka zderzacza porusza się w następnej dekadzie ?, Elementy, 08/20/2018). Niestety, akceleratory te będą miały bardzo duże, dziesiątki kilometrów, a zatem będą nieuchronnie bardzo drogie.Na przykład w liniowym zderzaczu elektron-pozytron planowane jest przyspieszanie cząstek przez silne pole elektryczne na trajektorii liniowej. Można to zrobić za pomocą stojącej fali elektromagnetycznej w specjalnym nadprzewodzącym rezonatorze metalowym. Istnieje jednak granica: pole elektryczne jest silniejsze niż kilka dziesiątków megawolt na metr, których nie można uzyskać. Jeśli chcemy przyspieszyć elektrony do energii o wartości 250 GeV, potrzebna będzie różnica potencjałów wynosząca 250 gigawoltów, co oznacza, że ​​będziemy musieli zbudować sekcję akceleratora na co najmniej 10 km dla elektronów i to samo dla pozytonów.

Przełomowym rozwiązaniem problemu szybkiego przyspieszania elektronów może być zupełnie inny pomysł – przyspieszenie w przyspieszeniu w osoczu (patrz FAQ: Laser-Plasma Accelerators, Postnauka). W tym schemacie super mocne pole elektryczne powstaje nie w konstrukcji metalowej, która i tak tego nie wytrzyma, ale w plazmie, a dokładniej wewnątrz niewielkiej oscylacyjnej bańki plazmowej poruszającej się do przodu. Tę bańkę można wygenerować, uruchamiając sterownik w plazmę – superstabilny impuls laserowy lub kompaktowy skupisko cząstek. Kierowca wzbudza w osoczu silne poprzeczne oscylacje elektronów,który w fazie rozrostu wygląda jak naładowana dodatnio fiolka z ujemnie naładowaną ścianą tylną (ryc. 2). Skrzep elektronu leci do tej fiolki, znajduje się wewnątrz niej w pobliżu tylnej ściany, w polu pchającym pole do przodu i, jakby jechał na fali, w krótkim czasie przyspiesza do wysokich energii. (Dodatkowe szczegóły na temat tego mechanizmu akceleracji można znaleźć w popularnym wykładzie Artema Korzhimanova, na grzbiecie fali plazmowej do precyzyjnego obrazowania i na wykładzie Konstantina Lotowa, Przyspieszenie obudzenia cząstek w plazmie.)

Ryc. 2 Idea przyspieszenia wakefield. Krótka wiązka cząstek wlatuje do plazmy, wywołuje w niej oscylacje gęstości elektronów i tworzy pęcherzyk plazmy, w pobliżu tylnej ściany, z której powstaje bardzo silne pole elektryczne. Rysunek z hep.ucl.ac.uk

Ten proces wygląda na bardzo skomplikowany, ale przyspieszenie przy przyspieszaniu naprawdę działa. W 2006 roku wykazano przyspieszenie elektronów do energii 1 GeV na długości nieco ponad 3 cm, co odpowiada polu przyśpieszającemu 30 GV / m (patrz: Akceleratory plazmy złamały znak 1 GeV, Elements, 29 września 2006).To osiągnięcie otwiera oszałamiające perspektywy: przecież ten sam zderzacz elektronów-pozytronów 500 GeV może na pozór zmieścić się na sto metrów! Niestety, nie takie proste. Po pierwsze, technika akceleracji pola wake'a została wykazana tylko w komórkach plazmatycznych o wielkości centymetrów. Chociaż schemat próbuje zwiększyć skalę, łącząc ze sobą kilka komórek plazmatycznych (laserowa plazma w osoczu nowej generacji, Elements, utworzona 17 sierpnia 2011 r.), Wciąż jest bardzo oddalona od wymiarów miernika. Po drugie, akcelerator nie powinien zbytnio wysmarowywać wiązki przyspieszonych cząstek w przestrzeni lub w kątach rozbieżności lub energii, co nie jest łatwe do osiągnięcia.

Ogólnie rzecz biorąc, chociaż pomysł został zrealizowany w zasadzie, nadal jest bardzo daleki od obecnego akceleratora opartego na nim.

Kilka lat temu prace nad pionierskim eksperymentem AWAKE rozpoczęły się w CERN. Jego celem powinno być przekształcenie tego odważnego pomysłu w niezawodną, ​​stabilną technologię pracy. Główną innowacją AWAKE jest oryginalny schemat przyspieszenia, w którym kierowca (wiązka protonów) musi najpierw poddać się transformacji, aby rozpocząć przyspieszanie elektronów (patrz poniżej).Ważną rolę w rozwoju eksperymentu odegrali pracownicy Instytutu Fizyki Jądrowej im. GI Budkera (patrz komunikat prasowy INP). W 2016 roku prace dobiegły końca, instalacja zadziałała, aw maju tego roku przeprowadzono pierwsze eksperymenty, które potwierdziły realizację idei. Zgodnie z artykułem o współpracy opublikowanym niedawno w czasopiśmie Naturaw dziesięciometrowej (!) komórce plazmatycznej wykazano udane, stałe przyspieszenie elektronów od 19 MeV do 2 GeV.

Szczegóły eksperymentu

Chociaż metoda przyspieszania wybudzania została już wcześniej wykazana – i przy znacznie większym gradiencie przyspieszenia niż obecnie – eksperyment AWAKE jest dużym krokiem naprzód. Po pierwsze, zastosowany w nim schemat przyspieszania poboru jest z jednej strony bardziej skomplikowany niż zwykle, ale z drugiej strony jest znacznie mniej wymagający dla sterownika wiązki protonów. Wymagało skoordynowanego działania nie dwóch, ale natychmiast trzech rodzajów wpływów zewnętrznych: impulsu laserowego, wiązki protonów i elektronów. W rezultacie gotowe wiązki protonów z akceleratora SPS SPS można teraz wykorzystać do przyspieszania, które początkowo nie były przeznaczone do tego celu.

Po drugie, pierwsze wyniki tak delikatnego eksperymentu są już imponujące dzięki ich czystości i odtwarzalności. Wykazują doskonałe stabilne przyspieszenie przy minimalnym rozpraszaniu energii, doskonałej kontroli i godnej pozazdroszczenia powtarzalności eksperymentu. A jeśli wyniki poprzednich eksperymentów wyglądały jak jednorazowe osiągnięcie, prawie jak cud, wówczas instalacja instalacji AWAKE przypomina profesjonalnie zmontowany, usprawniony, niezawodnie działający mechanizm.

Po tym emocjonalnym komentarzu przystępujemy do opisu eksperymentu (ryc. 3). "Areną akcji" w eksperymencie AWAKE jest długa, 10-metrowa komórka plazmowa wypełniona oparami rubidu, które emitują po podgrzaniu dwa zbiorniki znajdujące się na obu końcach komórki. Zmieniając temperaturę ogrzewania od 160 do 210 ° C, fizycy mogą utrzymywać gęstość pary w zakresie 1014-1015 patrz−3.

Ryc. 3 Widok ogólny eksperymentu AWAKE. Obraz z artykułu w dyskusji Natura

Trzech uczestników procesu dociera natychmiast do wejścia do komórki: krótki impuls laserowy, długi sterownik wiązki protonów i elektrony, które wymagają przyspieszenia (ryc. 4). To, co dzieje się potem z nimi, przypomina harmonijny taniec cząstek elementarnych.Pakiet protonowy dostarczony przez akcelerator CPS SPS jest wystarczająco silny: 250-300 miliardów protonów o energii 400 GeV. Nie może jednak samo w sobie wywołać bardzo oscylacji niezbędnych do przyspieszenia wybudzania. Po pierwsze dlatego, że nie wchodzi do plazmy, lecz do słabo zjonizowanego gazu, a po drugie, ponieważ jest zbyt długi.

Ryc. 4 Lewe dno z rys. 3 zbliżenia. Obraz z artykułu w dyskusji Natura

Krótki i potężny impuls laserowy przychodzi z pomocą grupie protonów. Skupia się na dość dużej poprzecznej plamce o wielkości około 1 mm (wiązka protonów, dla porównania, ma grubość 0,2 mm). W kierunku podłużnym jego długość wynosi tylko 1/30 mm, więc ten impuls świetlny ma kształt "naleśnika", jak pokazano na rys. 4. Impuls ten jonizuje atomy rubidu, przekształcając początkową parę atomową w plazmę o podobnym stężeniu elektronów, ale nie wywołuje oscylacji w samej plazmie. Impuls ten leci wraz z wiązką protonów i, z powodu małej dywergencji kątowej, "przebija" dla niego kanał plazmy w całej komórce.

Ta część długiej wiązki protonów, która znajduje się za laserowym "naleśnikiem", już przelatuje przez plazmę.Protony wyzwalają oscylacje plazmy, elektrony zaczynają się rozchodzić i zbiegają w kierunku poprzecznym, co z kolei wpływa na latające protony i powoduje ich zgrupowanie zgodnie z tymi oscylacjami. Pojawia się niezwykłe zjawisko – pojawienie się mikrostruktury (mikrobunch) w początkowo gładkiej wiązce długich protonów (ryc. 5). Rozpada się na osobne mikrobunięcia, które znajdują się w ściśle określonym miejscu pęcherzyka elektronów i latają wzdłuż komórki multimetru bez uszkodzeń (zobacz wideo z symulacją tego procesu). Okres tej struktury wynosi 1-3 mm i zależy od okresu oscylacji plazmy; Można go dostosować, zmieniając gęstość pary rubidu.

Ryc. 5 Spontaniczne rozszczepianie wiązki protonów w mikrobułki w plazmie. Figura z raportu S. Gessnera, 2017. AWAKE: Eksperyment Wakefield w osoczu sterowanym wiązką protonów

Ten proces i stabilność wynikowej struktury jest główną fizyczną atrakcją eksperymentu. Uwaga: protony latają do przodu z prędkością bliską światła. Elektrony w plazmie nie latają zbyt wiele, oscylują głównie w płaszczyźnie poprzecznej. Ale oddziaływanie elektromagnetyczne między tymi cząsteczkami prowadzi do stabilnego efektu skumulowanego: w układzie odniesienia towarzyszącym protonom struktura okazuje się być wyjątkowo stabilna.Co więcej, jest tak stabilny, że może, bez szkody dla siebie, łapać relatywistyczne elektrony i przyspieszać je w trybie stacjonarnym.

Jednak nie bez technicznych sztuczek. Autorzy artykułu podają, że nauczyli się dalszej stabilizacji tej struktury. Jeśli dwa źródła rubidu na końcach komórki zostaną podgrzane do różnych temperatur, w komórce pojawi się gradient gęstości: stopniowo zmniejszy się od gorętszego do zimniejszego. Rozprzestrzeniając się w takim środowisku, pęcherzyki plazmy stopniowo zmieniają swój rozmiar, co pomaga tłumić niestabilności. AWAKE Collaboration obiecuje przedstawić szczegóły dotyczące tego procesu w osobnym artykule.

Kiedy pęcherzyki plazmowe już się uformowały i złamały wiązkę protonową w stabilne mikrobuny, struktura plazma-proton przelatująca przez komórkę jest gotowa do przyjęcia elektronów. Są one uruchamiane w konfiguracji jednocześnie z impulsem laserowym i wiązką protonów, ale z opóźnieniem 200 pikusekund w stosunku do lasera "naleśnik". Odpowiada to kilkudziesięciu rozmiarom pęcherzyków plazmy, co daje czas w plazmie do utworzenia stabilnej struktury.Skrzep elektronowy leci do komórki skośnie: nie bezpośrednio wzdłuż osi, ale nieco z boku i pod niewielkim kątem. Jego trajektoria przecina się z osią komórki w odległości 2 metrów od wejścia – i tutaj elektrony są wychwytywane w oddzielne pęcherzyki plazmy. Należy zauważyć, że wszyscy uczestnicy tego procesu, w tym początkowe elektrony o skromnej energii wtrysku 19 MeV, poruszają się już z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła. Dlatego przyspieszenie elektronów praktycznie nie ma wpływu na ich prędkość. Elektrony "osiodowują" falę wzbudzenia, latają w stosunkowo stabilnym stanie bańki i po prostu gromadzą energię dzięki silnemu polu elektrycznemu w środku.

Przy wyjściu z celi elektrony i wiązka protonów przechodzą przez system monitorów diagnostycznych. Zawiera kilka elementów zaprojektowanych do sprawdzenia mikrostruktury wiązki protonów, a także do pomiaru energii przyspieszonych elektronów. Ten kluczowy pomiar jest bardzo elegancki. Magnes jest umieszczony na ścieżce wiązek, która odchyla elektrony pod kątem w zależności od ich energii. Protony prawie nie reagują na to pole, ponieważ ich pęd jest znacznie większy niż elektroniki.Elektrony, zbaczające, padają na szerokim, szerokim na 1 metr ekranie scyntylacyjnym. Ich pozycja na ekranie bezpośrednio pokazuje ich energię (rys. 3 w prawym górnym rogu). Prosty i gustowny.

Pierwsze wyniki

Na rys. 6 pokazuje typowy wynik pojedynczej instalacji "strzałowej". Wiązka elektronów pozostawiła na ekranie kompaktowy ślad, którego środek, liczony na energię elektronów, spada do 800 MeV. Różnice w zużyciu energii są, ale dość umiarkowane, w granicach 10%.

Ryc. 6 Powyżej: ślad na ekranie diagnostycznym z przyspieszonej wiązki elektronów. Dół: rozkład intensywności sygnału w poziomej współrzędnej, przetwarzany na energię elektronów. Obraz z artykułu w dyskusji Natura

Co ważniejsze, wynik przyspieszenia jest konsekwentnie powtarzany od strzału do strzału. Na rys. 7 pokazuje wyniki prawie dwustu "ujęć" wykonanych podczas dwugodzinnej sesji. Parametry procesu utrzymywano na stałym poziomie i, jak widać na figurze, wszystkie poziome pasy wykazywały maksymalną intensywność w przybliżeniu taką samą energię. Dzięki temu proces przyspieszania, pomimo subtelnych efektów fizycznych, jest doskonale odtwarzany.

Ryc. 7 Poziome rozkłady sygnałów dla prawie 200 "strzałów" o takich samych parametrach ustawiania. Każdy wąski pasek odpowiada osobnemu "strzałowi". Obraz z artykułu w dyskusji Natura

Jeśli chodzi o energię, do której przyspieszane są elektrony, wyniki na pierwszy rzut oka nie są zbyt imponujące. Maksymalna osiągnięta energia wynosiła około 2 GeV – i to jest w miejscu tak długim, jak 10 metrów. Ale 10 lat temu udało nam się przyspieszyć elektrony do energii 1 GeV w odległości zaledwie 3,3 cm! Ale tej niezgodności liczb nie należy zniechęcać. Poprzednie eksperymenty miały ograniczony rozmiar. Fizycy po prostu nie mogli osiągnąć tego samego superszybkiego przyspieszenia na większej odległości, a nawet zorientowali się, jak połączyć kilka komórek plazmatycznych o wielkości centymetrów. Eksperyment AWAKE pokonał te ograniczenia i natychmiast zaimplementował proces przyspieszania w komórce multimetru.

Druga ważna kwestia: eksperci z AWAKE są świadomi, które parametry określają maksymalną energię możliwą do uzyskania w tej instalacji. Jest to przede wszystkim gęstość plazmy: im wyższa, tym bardziej gęste pęcherzyki plazmy są uzyskiwane, a silniejsze pole elektryczne w środku.Po drugie, okazało się, że nawet niewielki, tylko kilka procent, spadek gęstości od początku do końca komórki – ta, która stabilizuje bąbelki – znacznie zwiększa energię elektronową na wyjściu. Przed przeprowadzeniem eksperymentów fizycy przeprowadzili oczywiście dokładną numeryczną symulację procesu przyspieszania, a ich wyniki zostały w pełni potwierdzone danymi eksperymentalnymi.

Zasadniczo możliwe jest dalsze zwiększenie energii, ale jest to jeszcze utrudnione przez inną trudność. Kiedy wiązka elektronów wchodzi i spada w obszar fali budzącej, nie wszystkie elektrony są wychwytywane w pęcherzyki plazmy. Nawet dla pięknych zdjęć pokazanych na ryc. 6 i 7, wydajność wychwytywania wynosiła tylko 0,1%. Wraz ze wzrostem gęstości, a tym samym energii, wydajność maleje tylko: trudniej jest małym pęcherzykom plazmowym łapać elektrony. Ale ten problem nie wygląda na krytyczny. Fizycy mają szeroką swobodę manewrowania sposobem wywoływania wiązki elektronów: pod jakim kątem, z jakim opóźnieniem i tak dalej. W przyszłości naukowcy dokładnie sprawdzą zależność wydajności wychwytywania od wszystkich tych parametrów i wybiorą optymalną konfigurację.

W każdym razie jest to dopiero początek – i początek jest obiecujący.Współpraca AWAKE spodziewana w tym roku po raz pierwszy wykazała ten schemat przyspieszenia dla tak długiej komórki – i była w stanie. Proces oswajania spontanicznej mikrostruktury wiązki protonów zostaje oswojony. Przyspieszenie jest włączone, wyniki są dość powtarzalne i zgodne z symulacją numeryczną. Krytyczny etap został już zakończony, a fizycy otwierają teraz szerokie pole działania, aby znaleźć optymalny tryb przyspieszania.

Źródło: E. Aldi i in. (AWAKE Coll.). Przyspieszenie elektronów w polu osoczowym wiązki protonów // Natura. 2018. DOI: 10.1038 / s41586-018-0485-4. Artykuł jest swobodnie dostępny i jest również dostępny jako preprint arXiv: 1808.09759 [physics.acc-ph].

Zobacz także:
1) C. Joshi, 2006. Wzmacniacze plazmy.
2) A. Saveliev-Trofimov. Akceleratory laserowe w plazmie.
3) I. Iwanow, 2009. Akcelerator plazmowy do energii TeV.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: