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.
|
|