Один из самых дорогих научных инструментов в мире – Большой адронный коллайдер был открыт всего семь лет назад, но Европейская организация по ядерной энергии ЦЕРН уже одобрила запуск следующего захватывающего проекта. Новый ускоритель не сможет соревноваться в масштабах с 27-километровым основным кольцом БАК, но в этом и будет заключаться его преимущество.
В существующих коллайдерах для разгона заряженных частиц используют электрические поля, направление которых переключается с высокой частотой. Каждое переключение подталкивает частицы вперёд, придавая им дополнительное ускорение. Но кольца таких ускорителей содержат участки с металлическими стенками, в которых при слишком высокой напряжённости поля происходят электрические пробои. Это ограничение заставляет снижать силу поля и строить длинные разгонные кольца, чтобы адроны успели набрать необходимую скорость перед столкновением.
Изначально ЦЕРН планировал к концу срока эксплуатации БАК в 2030-х годах ввести в строй ещё более исполинский коллайдер. Но последующие расчёты показали, что существующий диаметр кольца близок к пределу, превышение которого во много раз увеличит стоимость проекта. Поэтому учёные обратились к альтернативному решению, которое было предложено ещё в 70-х годах прошлого века.
Кильватерное ускорение подразумевает разгон частиц с помощью потока электронов, протонов или лазерных импульсов, которые, проходя сквозь плазму, заставляют электроны и протоны колебаться в кильватерном следе проходящих разгоняющих частиц.
За лучом или пучком образуются волны колеблющегося заряда (положительно и отрицательно заряженные регионы меняются местами, как волна на воде). Если в нужный момент запустить в этот "коридор" заряженные частицы, они подобно серфингисту будут двигаться вместе с волной, постоянно получая дополнительное ускорение. В результате частицы получают на том же пути в 1000 раз большее ускорение.
На сегодняшний день прототипы плазменных ускорителей были собраны в нескольких научных центрах. И вот самая известная в мире лаборатория физики высокой энергии готовиться создать собственную установку в рамках проекта AWAKE (Advanced Wakefield Experiment).
Её главное отличие от аналогов заключается в том, что в качестве драйвера для раскачки плазмы впервые будут использованы протоны. Они тяжелее электронов, поэтому каждый импульс преодолевает большее расстояние сквозь плазму и создаёт более длинный заряженный туннель, обеспечивающий лучшее ускорение.
Кроме того, такое устройство будет совместимо с БАК, который также настроен на работу с протонами. Именно протонные пучки, генерируемые действующим коллайдером, будут использоваться в первых экспериментах с прототипом.
Общие инвестиции на подготовку концепции AWAKE уже превысили 22 миллиона долларов США. Первые тесты должны быть завершены до конца 2018 года, когда ЦЕРН закроет свои ускорители на переоборудование. К этому времени специалисты должны понять, можно ли преобразовать пучки протонов в короткие импульсы.
В любом случае полученной в экспериментах энергии будет недостаточно для создания плазменных волн, и в будущем новый инструмент должен генерировать гораздо более мощные потоки протонов. Зато размеры такой установки будут во много раз меньше существующих. При этом энергия электронов в плазменном ускорителе длиной всего несколько километров может в шесть раз превосходить расчётные показатели проектируемого Международного линейного коллайдера длиной 31 километр, строительство которого планируется начать в Японии не раньше 2020 года.
Конечно, до практического использования новых ускорителей ещё далеко. Но многие учёные считают, что рано или поздно технология получит распространение не только для экспериментов с элементарными частицами. Со временем размеры плазменных установок могут уменьшиться до нескольких десятков метров. Тогда ускоренные электроны можно будет использовать для накачки лазера в лазерных рентгеновских микроскопах. Полученные световые импульсы будут иметь такую высокую частоту, что с их помощью удастся наблюдать движения отдельных молекул.
