Физики предложили уменьшить размеры ускорителя частиц в 1000 раз

Ускорение кильватерным полем предполагает движение электронов на волне плазмы — ионизированного газа, — которая создается либо другим пучком частиц, либо лазером. Обычные полости ускорителей — такие как в БАК, которые используют электромагнитные поля для движения частиц — начинают искрить при высокой напряженности поля. Но заполненные плазмой модули выдерживают экстремальные поля. Это означает, что на расстоянии в сантиметр технология кильватерного поля может достигать ускорения в 1000 раз большего, чем обычные методы. При масштабном применении это может уменьшить ускоритель с километров до метров.

Среди основных препятствий для ускорителей кильватерного поля будет соединение нескольких камер для повышения энергий частиц до уровня большого коллайдера и создание однородных и идентичных пучков. Другие проблемы заключаются в освоении того, как ускорить позитроны — более сложные в обращении аналоги электронов из антиматерии — и решении, какой тип ускорителя кильватерного поля выбрать. «Мы ее должны принять решение», — говорит Патрик Муггли из Института физики Макса Планка в Мюнхене, Германия.

Технология еще недостаточно развита, чтобы ее можно было использовать в следующем коллайдере. Но она подает надежды на коллайдер будущего. В прошлогодних экспериментах, в которых лазер использовался для управления пучком частиц, группа из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в Калифорнии продемонстрировала, что она может разогнать электроны до энергии 10 миллиардов электронвольт (эВ) на расстоянии всего 30 сантиметров. Это пока около одной сотой энергии, достигаемой пучками в БАК, который разгоняет частицы на расстоянии более 27 километров, но технология быстро развивается.

Исследователи из SLAC и Немецкого электронного синхротрона (DESY) в Гамбурге работают над сужением фокуса пучков и распределением энергий их частиц. В статье, опубликованной в Nature в апреле, физики DESY показали, что они могут создать пучок, столь же однородный, как и те, которые производятся на обычном ускорителе.

Сторонники кильватерного ускорения надеются, что версия технологии может быть готова вовремя, чтобы начать работу над модернизацией ускорителей в 2050-х годах. Это увеличит ее энергию в 20 раз, с примерно 500 миллиардов эВ до 10 триллионов эВ.

CERN сейчас разрабатывает FCC (Future Circular Collider) — это традиционный коллайдер, но более мощный, чем БАК. Если планы CERN будут реализованы, кильватерное ускорение можно будет использовать в другом месте, говорит Муггли. Физики на разрабатываемом китайском кольцевом электрон-позитронном коллайдере, обсудили включение кильватерного ускорения в инжектор для ввода частиц в ускоритель, говорит Муггли. Эта технология может быть использована для создания синхротронов размером с комнату и лазеров на свободных электронах, которые создают мощное рентгеновское излучение.

Сегодня ускорение кильватерного поля еще не может конкурировать с традиционными большими коллайдерами, но компактные комнатные ускорители могут повлиять на развитие биотехнологий и медицины, в том числе для точного и мощного облучения опухолей, практически не повреждающего здоровые ткани.