Физики лаборатории SLAC в Менло-Парке установили новый рекорд в области ускорительной техники. Им удалось создать поток электронов с беспрецедентными показателями силы тока и пиковой мощности. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
До сих пор мощные лазеры оставались основным инструментом для множества научных экспериментов – от расщепления атомов до моделирования условий внутри планет. Теперь у ученых появился новый инструмент: электронные пучки, достигающие сопоставимой мощности, открывают принципиально новые возможности для исследований.
Базовый принцип работы установки кажется простым: нужно вместить максимальный электрический заряд в минимальный промежуток времени. На практике команда SLAC смогла достичь тока в 100 килоампер длительностью всего одну квадриллионную долю секунды. Для сравнения: через обычную бытовую розетку течет ток около 16 ампер, а молния создает ток порядка 30 килоампер.
Ключевой элемент эксперимента – кольцевой ускоритель, напоминающий гоночную трассу для электронов. Внутри установки частицы разгоняются с помощью мощных магнитов в вакуумной камере, где они “скользят” по радиоволнам подобно серферу на гребне волны. Исследователи разогнали электроны до скорости, составляющей 99% от скорости света – это около 297 000 километров в секунду.
На поворотах трассы электроны вынуждены отклоняться от прямого пути, что приводит к замедлению и потере энергии. Чтобы решить эту проблему, физики сформировали электронный пучок длиной в миллиметр и направили его по более прямой траектории. Это позволило частицам проходить повороты с меньшими затратами.
При движении по такой траектории электроны в передней части луча оказываются на более пологом участке радиоволны. В результате они также теряют больше энергии при прохождении поворота – физики называют это явление “чирпом”. Затем последовательность магнитов заставляет пучок совершить серию колебаний: сначала влево, потом вправо, затем снова влево, прежде чем вернуться на основной путь.
Магнитное поле по-разному действует на электроны в зависимости от их энергии. Частицы с меньшей энергией отклоняются сильнее и вынуждены проходить более длинный путь. Это позволяет быстрым электронам догнать более медленные, что приводит к сжатию всего пучка. Дополнительный магнит на пути частиц вызывает преобразование части их энергии в свет, что усиливает разницу в энергиях между передней и задней частями луча.
Инженеры сконструировали ускоритель таким образом, чтобы электронный импульс мог совершать множество оборотов по кольцевой траектории. На каждом круге он становился короче по длительности, но мощнее по силе воздействия. К финальной стадии эксперимента физики добились поразительного результата: длина пучка составила всего 0,3 микрометра – это сопоставимо с длиной волны фиолетового света и в 200 раз меньше толщины человеческого волоса.
Что еще более удивительно, команда научилась контролировать форму и плотность потока частиц с максимальной точностью. Это стало возможным благодаря тонкой настройке магнитных полей и точному расчету траектории движения частиц. Каждый элемент установки – от вакуумной камеры до системы магнитов – работает в строго определенном режиме, обеспечивая необходимые условия для формирования сверхмощного импульса.
Созданная технология найдет применение в различных областях науки. С ее помощью ученые смогут исследовать быстротечные химические реакции, наблюдая за перемещением электронов между атомами. Сверхмощные электронные лучи позволят создавать новые виды плазмы – четвертого агрегатного состояния вещества, в котором атомы теряют свои электроны. Кроме того, эксперименты с такими пучками помогут глубже понять природу вакуума – пространства, которое, согласно квантовой теории, наполнено загадочными виртуальными частицами, постоянно возникающими и исчезающими.