Новости науки 11.06.01 Возможный прорыв в ускорительной технике
Одна из ключевых проблем в ускорительной физике создание
как можно более компактных пучков элементарных частиц как в продольном,
так и в поперечном направлении. Так, в современных электронных коллайдерах
продольный и поперечный размеры одного сгустка составляют в лучшем
случае миллиметры и микроны соответственно. Однако не исключено,
что скоро здесь может произойти революция: в работе [G.V.Stupakov
and M.S.Zolotorev, Phys.Rev.Lett. 86, 5274 (2001)] теоретически
показано, как с помощью лазерного луча ускорять свободные электроны
до релятивистских энергий, автоматически фокусируя сгусток до размеров
менее 0.01 микрона.
Идея ускорять электроны с помощью лазерного импульса исследуется
уже давно, однако до сих пор все режимы такого ускорения оказывались
довольно неэффективными. Дело в том, что электроны ускоряются в
направлении градиента мощности светового поля. Поэтому хорошо сфокусированный
лазерный луч ускоряет частицы не только вдоль оси движения, но и
в поперечной плоскости, то есть, попросту "разбрасывает" электроны
в стороны. Кроме того, не совсем было ясно, какой должен быть профиль
падающего лазерного сгустка для наиболее оптимального ускорения:
просто плоская электромагнитная волна вообще не разгоняет частицы.
Эти вопросы были заново проанализированы в работе [G.V.Stupakov
and M.S.Zolotorev, Phys.Rev.Lett. 86, 5274 (2001)]. Используя
параксиальное приближение и усредняя по быстрым осцилляциям поля
световой волны, авторы получили довольно простые уравнения движения
электрона в поле световой волны заданной формы. Анализируя эти уравнения
аналитически и численно, авторы получили критерии оптимального ускорения
электронов и выяснили, как результаты зависят от параметров лазерного
импульса.
Для предотвращения ускорения и разлета электронов в поперечной
плоскости авторы предлагают использовать особую пространственную
моду лазерного луча: суперпозицию основной моды и так называемой
радиально-поляризованной моды (подробнее о радиально-поляризованном
свете см. в нашей недавней заметке).
Плотность энергии в таком пучке имеем локальный минимум на оси луча,
что и создает некую эффективную потенциальную яму для электронов.
В результате получается, что электроны не только ускоряются, но
еще и одновременно фокусируются идеальный случай для ускорителей!
Авторы отмечают, что при подстановке типичных параметров лазерного
света получаются ускоряющие градиенты в 50 ГэВ/м (это на два порядка
выше современных значений), а продольные и поперечные размеры пучка
можно уменьшить до 0.01 микрона. Достигаемая при этом концентрация
электронов в фазовом пространстве оказывается в десятки и сотни
тысяч раз выше, чем в современных накопителях.
Безусловно, если предложенный механизм будет реализован на практике,
он кардинальным образом улучшит возможности ускорительной науки.
|