Trong thí nghiệm AWAKE, một chương trình tăng tốc điện tử mới đã được thử nghiệm • Igor Ivanov • Tin tức khoa học về "Yếu tố" • Công nghệ Vật lý, Tăng tốc và Phát hiện, Khoa học ở Nga

Thí nghiệm AWAKE đã thử nghiệm một chương trình tăng tốc điện tử mới.

Hình 1. Chuẩn bị thí nghiệm AWAKE tại CERN. Ảnh từ home.cern

Ý tưởng tăng tốc điện tử đánh thức bởi một trường điện siêu cứng bên trong bong bóng plasma hứa hẹn một cuộc cách mạng trong vật lý gia tốc. Về nguyên tắc, kỹ thuật này đã được sử dụng trong thí nghiệm, nhưng các máy gia tốc thực sự hoạt động dựa trên nó vẫn còn rất xa. Gần đây hơn, thí nghiệm AWAKE tại CERN đã thực hiện một bước tiến lớn theo hướng này. Ổn định, khả năng lặp lại lặp lại của các điện tử theo thời gian được thể hiện trong một tế bào plasma có kích thước kỷ lục, và sử dụng các chùm proton dài, vốn không được dự định ban đầu cho mục đích này. Cơn sốt thức tỉnh đang dần chuyển từ một phép lạ công nghệ thành một công nghệ được sắp xếp hợp lý.

Lướt sóng

Large Hadron Collider vẫn chưa tìm thấy bằng chứng trực tiếp về các hiện tượng ngoài Mô hình Chuẩn. Điều này buộc các nhà vật lí phải lên kế hoạch cho các máy gia tốc mới để tiến sâu hơn nữa trong kiến ​​thức về thế giới vi mô (xem: Vật lý va chạm di chuyển trong thập kỷ tới ?, Elements, 08/20/2018). Thật không may, những máy gia tốc này sẽ rất lớn, có kích thước hàng chục kilomet, và do đó chắc chắn rất tốn kém.Ví dụ, trong một máy va chạm electron-positron tuyến tính, nó được lên kế hoạch tăng tốc các hạt bằng một điện trường mạnh trên quỹ đạo đường thẳng. Điều này có thể được thực hiện với sự trợ giúp của sóng điện từ đứng trong một bộ cộng hưởng siêu dẫn kim loại đặc biệt. Tuy nhiên, có giới hạn: điện trường mạnh hơn vài chục megavolt trên một mét không thể thu được. Nếu chúng ta muốn tăng tốc các electron thành năng lượng 250 GeV, cần có sự khác biệt tiềm năng 250 gigawolts, nghĩa là chúng ta sẽ phải xây dựng một bộ gia tốc của ít nhất 10 km cho các electron và tương tự cho positron.

Một giải pháp mang tính đột phá cho vấn đề gia tốc electron nhanh có thể là một ý tưởng cơ bản khác – đánh thức để tăng tốc trong plasma (xem FAQ: Máy gia tốc laser-Laser, Postnauka). Trong đề án này, trường điện siêu cứng được tạo ra không phải trong một cấu trúc kim loại, mà sẽ không duy trì nó dù sao, nhưng trong một plasma, chính xác hơn, bên trong một bong bóng dao động plasma nhỏ di chuyển về phía trước. Bong bóng này có thể được tạo ra bằng cách đưa ra một trình điều khiển vào một plasma – một xung laser siêu cứng hoặc một cụm hạt nhỏ gọn. Trình điều khiển kích thích trong plasma một dao động ngang mạnh mẽ của các electron,mà trong giai đoạn hiếm hoi trông giống như một lọ tích điện dương tính với một bức tường sau tích điện âm (Hình 2). Khối khí điện tử bay vào trong lọ này, nằm bên trong nó gần bức tường phía sau, trong trường đẩy cánh đồng về phía trước, và, như thể cưỡi sóng, trong một thời gian ngắn nó tăng tốc tới năng lượng cao. (Các chi tiết bổ sung về cơ chế tăng tốc này có thể được tìm thấy trong bài giảng phổ biến của Artyom Korzhimanov. Trên đỉnh của sóng plasma để tạo hình sinh học chính xác và trong bài giảng của Konstantin Lotov. Gia tốc thức của các hạt trong huyết tương.)

Hình 2 Ý tưởng về tăng tốc wakefield. Một chùm hạt ngắn bay vào trong huyết tương, kích hoạt các dao động mật độ electron trong nó và tạo ra một bong bóng plasma, gần bức tường phía sau trong đó một điện trường rất mạnh phát sinh. Hình từ hep.ucl.ac.uk

Quá trình này trông rất phức tạp, nhưng khả năng tăng tốc thức tỉnh thực sự hiệu quả. Năm 2006, sự gia tốc của các electron thành năng lượng 1 GeV đã được chứng minh trên chiều dài chỉ hơn 3 cm, tương ứng với trường tăng tốc 30 GV / m (xem: Máy gia tốc Plasma đã phá vỡ mốc 1 GeV, Elements, 29/9/2006).Thành tựu này mở ra những quan điểm chóng mặt: sau cùng, cùng một máy va chạm electron-positron 500 GeV có vẻ như vừa vặn với một trăm mét! Than ôi, không đơn giản như vậy. Đầu tiên, cho đến bây giờ, kỹ thuật tăng tốc thức dậy đã được chứng minh chỉ trong các tế bào plasma kích thước của cm. Mặc dù chương trình đang cố gắng mở rộng quy mô, tham gia một số tế bào plasma với nhau (Một máy gia tốc laser laser của thế hệ mới, Elements, được tạo ra vào ngày 17 tháng 8 năm 2011), vẫn còn rất xa so với kích thước mét. Thứ hai, máy gia tốc không nên bôi nhọ quá nhiều hạt gia tốc trong không gian hoặc ở các góc phân kỳ hoặc năng lượng, và điều này không dễ đạt được.

Nói chung, mặc dù ý tưởng đã được thực hiện về nguyên tắc, nó vẫn còn rất xa so với máy gia tốc hiện tại dựa trên nó.

Một vài năm trước, công việc thử nghiệm tiên phong của AWAKE bắt đầu tại CERN. Mục tiêu của anh ta là biến đổi ý tưởng táo bạo này thành một công nghệ làm việc ổn định và ổn định. Sự đổi mới chính của AWAKE là sơ đồ gia tốc ban đầu, trong đó trình điều khiển (nhóm proton) trước tiên phải trải qua một số phép biến đổi để bắt đầu các electron tăng tốc (xem bên dưới).Một vai trò quan trọng trong việc phát triển thử nghiệm đã được thực hiện bởi các nhân viên của Viện Vật lý hạt nhân GI Budker (xem thông cáo báo chí của INP). Trong năm 2016, công việc đã đến đích, quá trình cài đặt đã hoạt động và vào tháng 5 năm nay, các thí nghiệm đầu tiên được thực hiện trên đó đã khẳng định hiệu suất của ý tưởng. Theo một bài báo cộng tác được xuất bản gần đây trong một tạp chí Thiên nhiên, trong một tế bào plasma mười mét (!), sự gia tốc ổn định thành công của các electron từ 19 MeV đến 2 GeV đã được chứng minh.

Chi tiết của thử nghiệm

Mặc dù phương pháp tăng tốc thức thức đã được chứng minh trước đó – và với một gradient tăng tốc lớn hơn nhiều so với bây giờ -, thí nghiệm AWAKE là một bước tiến lớn. Thứ nhất, sơ đồ tăng tốc thức được sử dụng trong nó, một mặt, phức tạp hơn bình thường, nhưng mặt khác, nó ít đòi hỏi nhiều hơn trên trình điều khiển bó proton. Nó đòi hỏi công việc phối hợp không phải là hai, nhưng ngay lập tức có ba loại ảnh hưởng bên ngoài: một xung laser, một bó proton và electron. Nhưng kết quả là, các bó proton được tạo sẵn từ máy gia tốc SPS SPS giờ đây có thể được sử dụng để tăng tốc, thậm chí không được dự định cho mục đích này ban đầu.

Thứ hai, kết quả đầu tiên của một thí nghiệm tinh tế như vậy đã rất ấn tượng với độ tinh khiết và khả năng tái tạo của chúng. Chúng chứng minh khả năng tăng tốc ổn định tuyệt vời với sự lan truyền năng lượng tối thiểu, kiểm soát tuyệt vời và khả năng lặp lại đáng kinh ngạc của thí nghiệm. Và nếu kết quả của các thí nghiệm tiền thân trông giống như một thành tựu một lần, gần giống như một phép lạ, thì hoạt động cài đặt AWAKE giống như một cơ chế làm việc hợp lý, được sắp xếp hợp lý, đáng tin cậy.

Sau bình luận cảm xúc này, chúng ta tiến hành mô tả thí nghiệm (Hình 3). “Hành động trường” trong thí nghiệm AWAKE là một tế bào plasma dài 10 mét chứa đầy hơi rubidium phát ra khi làm nóng hai bể chứa ở cả hai đầu của tế bào. Bằng cách thay đổi nhiệt độ gia nhiệt từ 160 đến 210 ° C, các nhà vật lý có thể giữ mật độ hơi trong khoảng 1014-1015 thấy−3.

Hình 3 Tổng quan về thử nghiệm AWAKE. Hình ảnh từ bài viết trong thảo luận Thiên nhiên

Ba người tham gia quá trình đến lối vào tế bào cùng một lúc: một xung laser ngắn, một trình điều khiển bó proton dài và các electron cần được tăng tốc (Hình 4). Điều gì xảy ra tiếp theo với chúng giống như một điệu nhảy hài hòa của các hạt cơ bản.Gói proton được cung cấp bởi máy gia tốc SPS CPS đủ mạnh: 250-300 tỉ proton với năng lượng 400 GeV. Tuy nhiên, nó không thể tự kích hoạt các dao động rất cần thiết cho tăng tốc thức. Thứ nhất, bởi vì nó không đi vào huyết tương, nhưng thành một khí bị ion hóa yếu, và thứ hai, bởi vì nó quá dài.

Hình 4 Dưới cùng bên trái của vả. 3 cận cảnh. Hình ảnh từ bài viết trong thảo luận Thiên nhiên

Một xung laser ngắn và mạnh mẽ đến với sự trợ giúp của bó proton. Nó tập trung vào một điểm ngang khá lớn với kích thước 1 mm (bó proton, để so sánh, có độ dày 0,2 mm). Theo chiều dọc, chiều dài của nó chỉ là 1/30 mm, vì vậy xung ánh sáng này có hình dạng của một "bánh kếp", như trong hình. 4. Xung này ion hóa các nguyên tử rubidi, chuyển đổi hơi nguyên tử ban đầu thành một plasma có cùng nồng độ electron, nhưng nó không kích hoạt dao động trong chính plasma. Xung này bay cùng với bó proton và, vì sự phân kỳ góc nhỏ, "xuyên thủng" cho nó kênh plasma trong suốt tế bào.

Đó là một phần của bó proton dài, đằng sau "bánh kếp" laser, đang bay qua plasma.Proton kích hoạt dao động plasma, các electron bắt đầu phân kỳ và hội tụ theo hướng ngang, từ đó, ảnh hưởng đến các proton bay và khiến chúng nhóm lại với nhau theo các dao động này. Một hiện tượng đáng chú ý xảy ra – sự xuất hiện của một cấu trúc vi mô (microbunching) trong bó proton dài ban đầu mịn (Hình 5). Nó chia thành các vi sinh riêng biệt, được đặt ở một vị trí được xác định chính xác của bong bóng điện tử và bay dọc theo một tế bào vạn năng mà không bị hư hại (xem video với mô phỏng quá trình này). Thời gian của cấu trúc này là 1-3 mm và phụ thuộc vào thời kỳ dao động plasma; Nó có thể được tùy chỉnh bằng cách thay đổi mật độ hơi rubidium.

Hình 5 Tự động tách chùm proton thành các vi khuẩn trong huyết tương. Hình từ báo cáo của S. Gessner, 2017. AWAKE: Thí nghiệm Wakefield Plasma Proton Beam Driven

Quá trình này và sự ổn định của cấu trúc kết quả là điểm nhấn vật lý chính của thử nghiệm. Lưu ý: các proton bay về phía trước với tốc độ gần như ánh sáng. Các electron trong plasma không bay được ở bất kỳ đâu, chúng dao động chủ yếu ở mặt phẳng ngang. Nhưng sự tương tác điện từ giữa các hạt này dẫn đến một hiệu ứng tích lũy ổn định: trong khung tham chiếu đi kèm với các proton, cấu trúc hóa ra cực kỳ ổn định.Hơn nữa, nó ổn định đến độ nó có thể, không gây hại cho chính nó, bắt các electron tương đối và đẩy chúng vào một chế độ tĩnh.

Tuy nhiên, nó không phải là không có thủ thuật kỹ thuật. Các tác giả của bài báo cáo rằng họ đã học được để tiếp tục ổn định cấu trúc này. Nếu hai nguồn của rubidium ở đầu của tế bào được đun nóng đến nhiệt độ khác nhau, sau đó một gradient mật độ sẽ phát sinh trong tế bào: nó sẽ dần dần giảm từ đầu nóng đến cái lạnh hơn. Lan rộng trong môi trường như vậy, bong bóng plasma dần dần thay đổi kích thước của chúng, giúp ngăn chặn sự bất ổn. AWAKE Collaboration hứa hẹn cung cấp chi tiết về quy trình này trong một bài viết riêng biệt.

Khi các bong bóng plasma đã hình thành đủ và đã phá vỡ chùm proton thành các vi sinh vật ổn định, cấu trúc proton plasma bay qua tế bào đã sẵn sàng chấp nhận các electron. Chúng được đưa vào thiết lập đồng thời với một xung laser và một bó proton, nhưng với sự chậm trễ 200 pico giây liên quan đến “bánh kếp” laser. Điều này tương ứng với vài chục kích thước của bong bóng plasma, cho phép thời gian plasma tạo thành một cấu trúc ổn định.Các cục máu đông bay vào trong tế bào một cách xiên: không trực tiếp dọc theo trục, nhưng hơi ở bên cạnh và ở một góc nhỏ. Quỹ đạo của nó cắt các trục của tế bào ở khoảng cách 2 mét từ lối vào – và ở đây các electron được chụp thành các bong bóng plasma riêng biệt. Lưu ý rằng tất cả những người tham gia trong quá trình này, bao gồm các electron ban đầu với năng lượng tiêm khiêm tốn 19 MeV, đã di chuyển với tốc độ gần với tốc độ ánh sáng. Do đó, sự gia tốc của các electron hầu như không ảnh hưởng đến tốc độ của chúng. Các điện tử, "yên" sóng thức, bay trong một liên quan ổn định với trạng thái bong bóng và chỉ đơn giản tích lũy năng lượng do điện trường mạnh bên trong.

Tại lối ra của tế bào, các electron và chùm proton truyền qua một hệ thống các màn hình chẩn đoán. Nó bao gồm một số yếu tố được thiết kế để kiểm tra vi cấu trúc của chùm proton, cũng như để đo năng lượng của các electron tăng tốc. Đo lường chính này rất thanh lịch. Một nam châm được đặt trong đường đi của các chùm tia, làm lệch hướng các electron theo một góc tùy thuộc vào năng lượng của chúng. Proton hầu như không phản ứng với trường này, vì động lượng của chúng lớn hơn nhiều so với điện tử.Các electron, lệch hướng, rơi trên màn hình rộng, rộng trong toàn bộ đồng hồ, màn hình nhấp nháy. Vị trí của chúng trên màn hình trực tiếp cho thấy năng lượng của chúng (Hình 3 ở trên cùng bên phải). Đơn giản và trang nhã.

Kết quả đầu tiên

Trong hình. 6 cho thấy một kết quả điển hình của một cài đặt "shot" duy nhất. Các bó electron để lại một dấu vết nhỏ gọn trên màn hình, trung tâm trong đó, nếu được tính vào năng lượng electron, rơi xuống 800 MeV. Biến đổi năng lượng, nhưng khá vừa phải, trong vòng 10%.

Hình 6 Trên: theo dõi trên màn hình chẩn đoán từ cụm electron tăng tốc. Dưới cùng: sự phân bố cường độ tín hiệu theo tọa độ ngang, được chuyển đổi thành năng lượng của các electron. Hình ảnh từ bài viết trong thảo luận Thiên nhiên

Có lẽ quan trọng hơn, kết quả của gia tốc được lặp đi lặp lại liên tục từ cú đánh sang bắn. Trong hình. 7 cho thấy kết quả của gần hai trăm "bức ảnh" được thực hiện trong một phiên hai giờ. Các thông số quá trình được giữ không đổi, và, như có thể thấy trong hình, tất cả các sọc ngang cho thấy cường độ tối đa xấp xỉ cùng một năng lượng. Do đó, quá trình tăng tốc, mặc dù các hiệu ứng vật lý tinh tế, được tái tạo hoàn hảo.

Hình 7 Phân phối tín hiệu ngang cho gần 200 “bức ảnh” với cùng các thông số cài đặt. Mỗi dải hẹp tương ứng với một "shot" riêng biệt. Hình ảnh từ bài viết trong thảo luận Thiên nhiên

Đối với năng lượng mà electron được tăng tốc, ở đây kết quả, ngay từ cái nhìn đầu tiên, không quá ấn tượng. Năng lượng tối đa đạt được là khoảng 2 GeV – và điều này là tại một trang web miễn là 10 mét. Nhưng 10 năm trước, chúng tôi đã xoay sở để tăng tốc các electron thành năng lượng 1 GeV ở khoảng cách chỉ 3,3 cm! Nhưng sự khác biệt về các con số này không nên nản chí. Các thử nghiệm trước đây chỉ bị giới hạn về kích thước. Các nhà vật lý chỉ đơn giản là không thể đạt được cùng một gia tốc cực nhanh trên một khoảng cách dài hơn và thậm chí đã tìm ra cách để gắn một số tế bào plasma có kích thước cm. Thí nghiệm AWAKE đã vượt qua những hạn chế này và thực hiện quá trình tăng tốc ngay lập tức trong một tế bào vạn năng.

Điểm quan trọng thứ hai: các chuyên gia từ AWAKE nhận thức rõ các tham số nào xác định năng lượng tối đa có thể đạt được trong quá trình cài đặt này. Trước hết, nó là mật độ plasma: cao hơn, các bong bóng plasma càng nhỏ gọn và điện trường mạnh hơn bên trong.Thứ hai, hóa ra rằng ngay cả một nhỏ, chỉ một vài phần trăm, mật độ giảm từ đầu đến cuối của tế bào – một trong đó ổn định các bong bóng – làm tăng đáng kể năng lượng điện tử ở đầu ra. Trước khi tiến hành các thí nghiệm, các nhà vật lý, tất nhiên, đã thực hiện một mô phỏng số toàn diện về quá trình tăng tốc, và kết quả của chúng được xác nhận đầy đủ bằng dữ liệu thực nghiệm.

Về nguyên tắc, có thể tăng thêm năng lượng, nhưng điều này vẫn bị cản trở bởi một khó khăn khác. Khi một bó electron đi vào và rơi vào khu vực của sóng thức, không phải tất cả các electron đều bị bắt vào các bong bóng plasma. Ngay cả đối với những hình ảnh đẹp được thể hiện trong hình. 6 và 7, hiệu quả thu được chỉ 0,1%. Với mật độ gia tăng, và do đó năng lượng, hiệu quả chỉ giảm: nó là khó khăn hơn cho các bong bóng plasma nhỏ để bẫy electron. Nhưng vấn đề này không quan trọng. Các nhà vật lý có một sự tự do rộng rãi trong các thao tác trong cách phóng một cục máu đông điện tử: ở góc độ nào, với độ trễ nào, v.v. Trong tương lai, các nhà nghiên cứu sẽ cẩn thận kiểm tra sự phụ thuộc của hiệu quả chụp trên tất cả các thông số này và chọn cấu hình tối ưu.

Trong mọi trường hợp, đây chỉ là khởi đầu – và bắt đầu là đầy hứa hẹn.Sự hợp tác AWAKE dự kiến ​​trong năm nay để chứng minh kế hoạch tăng tốc này cho một tế bào dài lần đầu tiên – và đã có thể. Quá trình xuất hiện tự phát của vi cấu trúc của chùm proton được thuần hóa. Gia tốc được bật lên, kết quả khá tái sản xuất và phù hợp với mô phỏng số. Giai đoạn quan trọng đã được thông qua, và các nhà vật lý hiện đang mở ra một lĩnh vực hoạt động rộng lớn để tìm kiếm chế độ tăng tốc tối ưu.

Nguồn: E. Aldi et al. (AWAKE Coll.). Tăng tốc các electron trong một khu vực sau plasma của một bó proton // Thiên nhiên. 2018. DOI: 10.1038 / s41586-018-0485-4. Bài báo này có sẵn miễn phí và cũng có sẵn dưới dạng bản in lại arXiv: 1808.09759 [physics.acc-ph].

Xem thêm:
1) C. Joshi, 2006. Tăng cường plasma.
2) A. Saveliev-Trofimov. Máy gia tốc bằng laser-plasma.
3) I. Ivanov, 2009. Máy gia tốc electron plasma lên tới năng lượng TeV.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: