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.

перейти к началу страницы