Физики обнаружили эффект, мешающий работе кильватерных ускорителей частиц

ТАСС, 24 февраля. Российские ученые обнаружили эффект, из-за которого разрушаются плазменные волны, разгоняющие заряженные частицы в так называемых кильватерных ускорителях. Благодаря этому их можно будет сделать гораздо эффективнее, пишет пресс-служба Института ядерной физики СО РАН. Результаты исследования опубликовал научный журнал Plasma Physics and Controlled Fusion.

"При моделировании мы "увидели" эффект, который заметно сокращал время жизни кильватерной волны. Оказалось, что сама плазменная волна работает как линза, которая отклоняет траектории возвращающихся электронов, заставляя их падать в области наибольшего ускоряющего поля. В результате волна отдает свою энергию не тем "хорошим" электронам, которые мы хотим ускорить, а другим, случайно пролетевшим мимо", – рассказал один из авторов работы, аспирант ИЯФ СО РАН Роман Спицын.

Кильватерным ускорением электронов в плазме называют метод ускорения частиц, которые советские и американские физики придумали в 1970-х. Они заметили, что если в определенный момент "ударить" по облаку плазмы несколькими пучками электронов или протонов, то подобные частицы можно очень быстро ускорить.

В результате возникает нечто похожее на кильватерную струю – гигантская разница в потенциале между соседними частями плазменного облака. Она ускоряет заряженные частицы в тысячи раз быстрее сверхпроводящих магнитов в главном кольце Большого адронного коллайдера. В последние годы физики несколько раз демонтировали, что кильватерное ускорение работает.

Роман Спицын и его коллега Константин Лотов, профессор Новосибирского государственного института, открыли ранее неизвестный эффект, который может резко понижать эффективность работы подобных установок. Он объясняет, почему результаты расчетов теоретиков иногда расходятся с результатами экспериментов проекта AWAKE, в котором работают ученые.

По словам авторов исследования, наблюдения за любыми процессами в плазме на AWAKE усложняются тем, что внутрь секции, где находится ионизированный газ, нельзя поместить диагностические элементы, так как они будут влиять на плотность плазмы и нарушать ход эксперимента. Поэтому ученые пытаются выяснить, какие процессы происходят внутри волны. Для этого они используют измерения, сделанные уже на выходе из камеры, или просто просчитывают поведение плазмы и ускоряемых частиц с помощью суперкомпьютеров.

Проводя подобные расчеты, российские физики столкнулись с ранее неизученным эффектом, который сильно влиял на поведение электронов внутри ускорителя и плазменной волны в целом.

"При определенных параметрах эксперимента AWAKE часть электронов плазмы вылетает из нее, но потом снова притягивается образовавшимся в плазме избыточными положительным зарядом. Таких электронов не так много, и поначалу считалось, что количество забираемой ими энергии при пролете сквозь плазму не так велико, чтобы это могло повлиять на образовавшуюся в плазме кильватерную волну", – пояснил Спицын.

Оказалось, что на самом деле эти частицы и порождаемые ими эффекты сильно сокращают время жизни волны. Из-за этого их существование нужно учитывать как при проведении экспериментов на AWAKE и других кильватерных ускорителях, так и при просчете их работы. Ученые надеются, что открытие этого явления не только позволит их коллегам с CERN усовершенствовать работу установки, но и ускорит развитие этой методики разгона частиц в целом.