Sciencemag.cz
Doporučujeme
To, na co jsou obvykle potřeba obří urychlovače, se nyní podařilo na 20 centimetrech a pouze pomocí přesně řízených ultrarychlých laserů.
Howard Milchberg z University of Maryland, Jorge J. Rocca z Colorado State University a jejich kolegové dosáhli výsledku pomocí dvou laserových pulzů vyslaných do plynného vodíku. První pulz roztrhal vodík, prorazil do něj díru a vytvořil kanál s plazmatem. Tento kanál vedl druhý, výkonnější pulz, který z plazmatu strhl elektrony a táhl je za sebou, přičemž je urychlil téměř na rychlost světla. Touto technikou se podařilo získat elektrony s 40 % energie oproti hodnotám dosahovaných v obrovských zařízeních, jako je kilometr dlouhý Linac Coherent Light Source, urychlovač v SLAC National Accelerator Laboratory.
Jedná se o první urychlovač elektronů na hodnoty GeV, který využívá výhradně lasery. S tím, jak se lasery stávají stále levnější i účinnější, by se tato technika mohla rychle rozšířit.
Lineární urychlovač SLAC dodává elektronům potřebný impulz pomocí silných elektrických polí v dlouhé řadě segmentovaných kovových trubic. Technologie je přitom prakticky na maximu: kdyby byla elektrická pole silnější, vyvolala by uvnitř trubic bouře blesků, které by zařízení poškodily. Protože vědci nemohli elektrony urychlovat silněji, rozhodli se je namísto toho urychlovat déle; tak v severní Kalifornii vzniklo kilometrové zařízení, kde lze dosáhnout až 13,6 GeV (jinak řečeno, elektrony se pohybují 99.99999993% rychlosti světla). Je ale jasné, že takových urychlovačů moc postaveno nebude. Urychlovače velké tak, aby se vešly do laboratoře nebo dokonce na stůl, potřebují asi 1000krát silnější pole, vytvářené procesem laser wakefield acceleration (urychlovače s brázdovým polem, tj. s polem vznikajícím jako brázda za laserovým paprskem; toto pole, „porucha“, pak za sebou strhává elektrony). Průvodní tisková zpráva používá i přirovnání k pohybu lodi, která vytlačuje vodu před sebou, voda ji obteče, shromáždí se za ní a loď ji pak táhne za sebou.
Samotná technika laser wakefield acceleration není vůbec nová, ale až dosud byly její výsledky omezené. Pokrok spočívá v tom, že vědci nyní dokázali lépe řídit vysokoenergetický paprsek laseru a zabránit rozptýlení jeho energie. Principem je nejprve do plazmatu prorazit otvor a vytvořit tak vlnovod. Nahradit plazmu optickým kabelem nejde, pulzy mají tak vysokou energii, že by ho zničily. V novém uspořádání první „naváděcí“ laser prochází plynným vodíkem, odtrhává elektrony od atomů vodíku a vytváří kanál plazmatu. Plazma je horké a rychle se začne rozpínat, čímž se vytvoří jádro plazmatu s nižší hustotou a plyn s vyšší hustotou na jeho okraji, jako válcový plášť chránící vlastní „kabel“. Tímto kanálem je pak vyslán hlavní laserový paprsek, jenž ve své stopě shromažďuje a urychluje elektrony. Podařilo se to až na hodnotu 5 GeV.
Jak upozorňují autoři výzkumu, v Lawrence Berkeley National Labs se pomocí metody laser wakefield acceleration již dosáhlo i více, ale s řadou dalších omezení. Nová technika umožňuje např. rychlejší produkci elektronů. Nyní se vše samozřejmě bude dále ladit.
B. Miao et al, Multi-GeV Electron Bunches from an All-Optical Laser Wakefield Accelerator, Physical Review X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031038
Zdroj: University of Maryland / Phys.org
