Летящ фокус на лазер удвои енергията в плазмен ускорител

Екип от Лабораторията за лазерна енергетика (LLE) към Университета в Рочестър е ускорил електрони до 396 ± 14 MeV в плазмен ускорител — повече от двойно над теоретичната граница от 185 MeV за същото разстояние. Резултатът, публикуван в Nature Physics и представен на 8 август, премахва един от най-упоритите проблеми пред компактните ускорители на частици: разфазирането.

Защо електроните спират да ускоряват

Плазмените ускорители работят по идея, която звучи почти твърде просто. Свръхкъс лазерен импулс минава през йонизиран газ и избутва електроните настрани, както лодка оставя килватерна следа във вода. Зад импулса остава вълна от разделени заряди с чудовищно силно електрично поле — в този експеримент над 1 GV/cm, тоест около 100 гигаволта на метър. За сравнение, класическите ускорители с радиочестотни кухини стигат до десетки мегаволта на метър. Оттам и мечтата: ускорител, дълъг метър, вместо километър.

Проблемът е, че вълната изостава. Лазерният импулс се движи през плазмата с групова скорост, малко по-малка от скоростта на светлината във вакуум, докато ускорените електрони бързо стават ултрарелативистки и практически достигат светлинната скорост.

„Разфазирането е когато ултрарелативистките електрони, ускоряващи се в килватерното поле, започват да настигат лазерния импулс, който го създава“, обяснява Чарли Ароусмит, асистент-учен в LLE и първи автор на статията. Щом електроните изпреварят ускоряващата фаза на вълната, те попадат в забавяща и ускорението свършва — независимо колко още плазма има отпред.

Фокус, който лети

Решението на екипа не е нов лазер, а ново огледало. Така нареченото аксипарабола е оптика, чието фокусно разстояние се променя в зависимост от радиуса — външните пръстени на лъча се фокусират по-надалеч от вътрешните. Резултатът е, че точката на максимален интензитет не стои на едно място, а пробягва напред по оста на ускорителя. Скоростта на това движение се задава от формата на огледалото, а не от свойствата на плазмата.

Настроен така, „летящият фокус“ води килватерната вълна с вакуумната скорост на светлината. Вълната и електроните вървят в синхрон, разфазиране няма и ускорението продължава, докато има плазма и лазерна енергия.

Снимка: C. D. Arrowsmith et al./Nature Physics

Ключовото следствие е, че ускорителят вече може да работи в по-плътна плазма. Обикновено плътността се държи ниска именно за да се отложи разфазирането, но по-ниската плътност означава и по-слабо поле. В експеримента оптималният диапазон е 4,5–5,4 × 10¹⁸ cm⁻³ — плътности, при които класическата схема би се задавила много по-рано. Мишената е смес от водород и аргон, а аргонът служи за контролирано вкарване на електрони във вълната.

Какво означава това за мащаба

Измерванията са направени на MTW-OPAL — прототипна установка на LLE, която по официалните данни на лабораторията даде първа светлина през 2020 г. с импулси от 7,5 J за 20 fs, тоест 0,3 PW. MTW-OPAL е тестова площадка за далеч по-голямата NSF OPAL, която засега е във фаза на проектиране и прототипиране.

Според съобщението на LLE схемата отваря път към сноп от 100 GeV в плазма, дълга под един метър. При конвенционален плазмен ускорител същата енергия би изисквала около 20 метра ускорителна секция — и то на един етап, без сложното каскадиране на няколко плазмени модула, което досега се смяташе за неизбежно. Енергии от този порядък на сноп CERN постигна с LEP чак в края на 90-те години, в пръстен с обиколка 27 километра.

„Тези резултати са силен пример за това какво прави LLE уникална: способността да се събере експертиза от различни отдели“, коментира Дъстин Фроула, директор на дивизия PULSE в лабораторията.

Какво още не е решено

Струва си да се уточни какво не казва изследването. 396 MeV са респектиращи за метода, но са далеч от 100 GeV — това е екстраполация към по-мощен лазер, а не измерен резултат. Отделно, за реална употреба в колайдер или в рентгенов лазер на свободни електрони е нужно много повече от максимална енергия: стабилност от изстрел до изстрел, малък енергиен разсейв, добра емитантност и честота на повторение, каквато плазмените схеми все още нямат.

Точно тук е и следващата задача на екипа. Групата по оптично производство в LLE вече разработва оптики, които да настройват скоростта на летящия фокус още по-прецизно, така че тя да съвпада с реалното движение на електронния сгъстък.

Заключение

Разфазирането беше едно от онези ограничения, които се заобикалят с компромиси — по-разредена плазма, по-слабо поле, повече етапи. Демонстрацията от Рочестър показва, че то може да бъде премахнато с оптика, а не с повече енергия. Ако мащабирането се потвърди на NSF OPAL, ускорител с размерите на маса ще стане нещо повече от презентационен слайд. Дотогава това е добра новина от област, в която напредъкът обикновено се мери в проценти — както и рекордната плазма на MAST Upgrade от термоядрения фронт.