Ученые ранее показали, что повышение энергии заряженных частиц за счет их «бороздки» с волной ионизированного газа или плазмы хорошо работает для электронов. Хотя этот метод сам по себе может привести к уменьшению размера ускорителей, электроны – это только половина уравнения для будущих коллайдеров. Теперь исследователи достигли еще одной важной вехи, применив эту технику к позитронам в Центре продвинутых экспериментальных испытаний ускорителей (FACET) SLAC, пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики США.
«Вместе с нашим предыдущим достижением новое исследование является очень важным шагом на пути к созданию меньших и менее дорогих электрон-позитронных коллайдеров следующего поколения», – сказал Марк Хоган из SLAC, соавтор исследования, опубликованного сегодня в журнале Nature. "FACET – единственное место в мире, где мы можем ускорять позитроны и электроны с помощью этого метода."
Директор SLAC Чи-Чанг Као сказал: «Наши исследователи играют важную роль в развитии плазменных ускорителей с 1990-х годов. Недавние результаты являются крупным достижением лаборатории, которая продолжает выводить науку и технологии ускорителей на новый уровень."
Коллайдеры сжимающихся частиц
Исследователи изучают фундаментальные компоненты материи и силы между ними, сталкивая пучки высокоэнергетических частиц друг с другом. Столкновения между электронами и позитронами особенно привлекательны, потому что в отличие от протонов, сталкивающихся на Большом адронном коллайдере ЦЕРН, где в 2012 году был открыт бозон Хиггса, эти частицы не состоят из более мелких составных частей.
«Эти столкновения проще и легче изучать», – сказал Майкл Пескин из SLAC, физик-теоретик, не участвовавший в исследовании. «Кроме того, новые, экзотические частицы будут производиться примерно с той же скоростью, что и известные частицы; на LHC они в миллиард раз реже."
Однако современные технологии создания электронно-позитронных коллайдеров для экспериментов следующего поколения потребуют ускорителей длиной в десятки километров. Ускорение плазменного кильватерного поля – один из способов, которым исследователи надеются создать более короткие и экономичные ускорители.
Предыдущая работа показала, что этот метод эффективно работает с электронами: когда один из сильно сфокусированных пучков электронов FACET входит в ионизированный газ, он создает плазменный «след», который исследователи используют для ускорения ведомого второго электронного сгустка.
Создание плазменного следа для антивещества
Для позитронов – другого необходимого компонента частиц для электрон-позитронных коллайдеров – ускорение плазменного кильватерного поля является гораздо более сложной задачей. Фактически, многие ученые считали, что независимо от того, где в следе помещается замыкающий сгусток позитронов, он теряет свою компактную, сфокусированную форму или даже замедляется.
«Нашим ключевым достижением было открытие нового режима, который позволяет нам эффективно ускорять позитроны в плазме», – сказал соавтор исследования Чандрашекхар Джоши из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Вместо использования двух отдельных сгустков частиц – одного для создания следа, а другого для перемещения по нему – команда обнаружила, что одиночный сгусток позитронов может взаимодействовать с плазмой таким образом, что его передняя часть генерирует след, который ускоряется. и фокусирует свой конец. Это происходит после того, как позитроны пройдут около четырех дюймов через плазму.
«В этом стабильном состоянии около 1 миллиарда позитронов получили 5 миллиардов электронвольт энергии на коротком расстоянии всего в 1.3 метра ", – сказал бывший исследователь SLAC Себастьян Корде, первый автор исследования, который сейчас работает в Политехнической школе во Франции. "Они также сделали это очень эффективно и равномерно, что привело к ускоренному сгустку с четко определенной энергией."
Заглядывая в будущее
Все эти свойства являются важными качествами для пучков частиц в ускорителях. На следующем этапе команда постарается улучшить свой эксперимент.
«Мы провели моделирование, чтобы понять, как было создано стабильное состояние», – сказал соавтор Уоррен Мори из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. "Основываясь на этом понимании, теперь мы можем использовать моделирование, чтобы искать способы возбуждения подходящих следов улучшенным, более контролируемым способом. Это приведет к идеям для будущих экспериментов."
Хотя плазменные коллайдеры частиц не будут построены в ближайшем будущем, этот метод может быть использован для модернизации существующих ускорителей гораздо раньше.
«Возможно повысить производительность линейных ускорителей, добавив в конце очень короткий плазменный ускоритель», – сказал Корд. "Это умножит энергию ускорителя, не сделав всю конструкцию значительно длиннее."
Дополнительными участниками были исследователи из Университета Осло в Норвегии и Университета Цинхуа в Китае.
Исследование было поддержано Министерством энергетики, Национальным научным фондом, Исследовательским советом Норвегии и Программой тысячи молодых талантов Китая.
Видео: https: // www.YouTube.com / watch?v = LVXj5hRyP8s