​​
Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), входящие в коллаборацию AWAKE (Advanced proton-driven plasma WaKefield Acceleration Experiment) Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН), обнаружили и исследовали эффект разрушения плазменной кильватерной волны при образовании электронного гало. Этот эффект ограничивает время жизни плазменной волны и влияет на выбор оптимальных условий для ускорения в ней частиц. Результаты опубликованы в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion, а также были представлены на собрании коллаборации AWAKE и на конкурсе молодых ученых ИЯФ СО РАН. Исследованное явление важно как для объяснения результатов эксперимента, так и для численного моделирования будущих плазменных ускорителей. 

2 3 1 
 
Траектории электронов гало в плазменной волне вблизи оси в окне моделирования, которое летит направо со скоростью света, соответственно, электроны гало двигаются справа налево. Плазменная волна визуально представлена потенциалом, и для электронов (отрицательно заряженных частиц) синие области являются потенциальными "горбами", а красные - потенциальными "ямами", а ускорение или замедление происходит на "склонах". Изменение  энергии электронов представлено цветом траектории (красный - ускорение, синий - замедление). Видно, как плазменная волна отклоняет траектории электронов так, чтобы они попадали преимущественно в ускоряющие области волны и, наоборот, отклонялись от замедляющих областей. Такое движение сильно напоминает поведение лучей в оптических линзах.
 
Кильватерное ускорение электронов в плазме – это метод ускорения частиц, идея которого возникла еще в 1970-х г., а название появилось из-за аналогии со следом на поверхности воды, который остается позади идущего судна. Первоначально в качестве драйвера, который создает в плазме волну, физики использовали пучок электронов или мощный лазерный импульс, но с 2009 г. стали использовать для этого пучок протонов, который содержит в себе в тысячу раз больше энергии. В 2013 г. в ЦЕРН начал работу эксперимент AWAKE, основная задача которого состоит в экспериментальном подтверждении самой возможности использования такого метода ускорения электронов. В 2018 г. ученым удалось ускорить пучок электронов в плазме при помощи протонного драйвера. 

«Область исследования эксперимента AWAKE – ускорение частиц в плазме. Физики хотят научиться ускорять электроны до очень больших энергий, таких, какие бывают только у протонов, – рассказывает теоретический координатор проекта AWAKE, главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, профессор НГУ, доктор физико-математических наук Константин Лотов. – Самые быстрые электроны, когда-либо полученные человечеством, имели энергию 105 ГэВ, а плазменное кильватерное ускорение может увеличить ее раз в сто. Первые результаты эксперимента AWAKE уже получены – ученым удалось ускорить электроны с помощью волны, создаваемой сгустком протонов в плазме. В ближайшее время эволюционное развитие эксперимента будет заключаться в увеличении энергии электронов. Но в какой-то момент нужно будет продемонстрировать не только энергию, но и качество ускоренного пучка. Поэтому сейчас мы разбираемся с различными тонкими эффектами, чтобы полностью понять изучаемый процесс. В частности, сравниваем результаты того, что получено в эксперименте, с численным моделированием. Благодаря сравнению эксперимента и моделирования становятся видны эффекты, которые ранее были неизвестны и не учитывались».​ ​

Наблюдения за любыми процессами в плазме в эксперименте AWAKE усложняются тем, что внутрь секции, где находится ионизированный газ, нельзя поместить диагностические элементы – они будут влиять на плотность плазмы и нарушать ход эксперимента. Поэтому все диагностики устанавливаются на выходе из плазменной секции – таким образом ученые получают данные о происходящем внутри, например, информацию о профиле протонного пучка, который создал в плазме волну. Еще один способ разобраться в том, что происходит в плазме – численное моделирование. Численные коды, используемые теоретиками ИЯФ СО РАН, позволяют быстро анализировать большое число параметров. 

«Сравнение численных кодов и экспериментальных данных в AWAKE проводилось уже много раз. Из этого сравнения можно было сделать вывод, что численное моделирование позволяет делать достаточно точные предположения о происходящем в эксперименте, – пояснил аспирант ИЯФ СО РАН Роман Спицын. – При этом нередко возникает «дилемма»: моделирование широкой области дает результат более приближенный к реальному эксперименту, но оно может оказаться долгим и очень ресурсоемким. Моделирование же небольшой области будет более быстрым и менее ресурсоемким, но тогда можно «потерять» часть физических эффектов, которые, впрочем, могут быть некритичными». ​

Специалисты ИЯФ СО РАН сравнили экспериментальные данные поперечного профиля протонного пучка, пролетевшего плазменную секцию, с результатами численного моделирования этого эксперимента в случае узкой области (моделируя только плазму) и широкой области (охватывая еще и окружающий плазму не ионизованный газ, который не влияет на процесс кильватерного ускорения). Моделируя ситуацию в широкой области, ученые увидели эффект разрушения плазменной кильватерной волны электронным гало (областью отрицательного заряда, образующейся вокруг плазмы вылетевшими из нее электронами). В случае узкого окна этот эффект не проявлялся. 

«При определенных параметрах эксперимента AWAKE часть электронов плазмы вылетает из нее, но потом снова притягивается образовавшимся в плазме избыточными положительным зарядом. Возвращаясь обратно, такие электроны пролетают плазменную волну, при этом ускоряясь или замедляясь, в зависимости от фазы волны, в которую они попадают. Ускоряясь, электроны забирают энергию из плазменной волны, а замедляясь, наоборот, возвращают. 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, – добавил Роман Спицын. – Мы же при моделировании «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». 

По словам Романа Спицына, наблюдаемый эффект важен как для экспериментальных, так и теоретических работ в рамках AWAKE. 

«Он ограничивает время жизни плазменной кильватерной волны, а это критично для эксперимента. Кроме того, он важен и при численном моделировании, поскольку накладывает дополнительные ограничения на минимальную ширину области моделирования», – добавил специалист. 

Результаты по обнаружению и изучению эффекта разрушения плазменной кильватерной волны при образовании электронного гало были представлены на собрании коллаборации AWAKE (ЦЕРН, дистанционно, 2020) и на конкурсе молодых ученых ИЯФ СО РАН (Новосибирск, дистанционно, 2020), а также опубликованы в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion.

Источники

Обнаружен эффект, ограничивающий время жизни кильватерной волны в эксперименте AWAKE
Институт ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН (inp.nsk.su), 24/02/2021
Физики обнаружили эффект, мешающий работе кильватерных ускорителей частиц
ТАСС, 24/02/2021
Обнаружен эффект, ограничивающий время жизни кильватерной волны в эксперименте AWAKE
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 24/02/2021
Обнаружен эффект, ограничивающий время жизни кильватерной волны в эксперименте AWAKE
AK&M, 24/02/2021
Обнаружен эффект, ограничивающий время жизни кильватерной волны в эксперименте AWAKE
Научная Россия (scientificrussia.ru), 24/02/2021
Обнаружен эффект, ограничивающий время жизни кильватерной волны в эксперименте AWAKE
Сибирское отделение Российской академии наук (sbras.ru), 24/02/2021
Спящих не будить! Проснувшиеся онкоклетки провоцируют смертельные болезни
Российский научный фонд (рнф.рф), 24/02/2021
Обнаружен эффект, ограничивающий время жизни кильватерной волны в эксперименте AWAKE
Яндекс.Новости (yandex.ru/news), 24/02/2021
Новосибирские ученые-физики обнаружили эффект ограничения "жизни" плазменной волны
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 26/02/2021
Обнаружен эффект, ограничивающий время жизни кильватерной волны в эксперименте AWAKE
Nanonewsnet.ru, 27/02/2021

Похожие новости

  • 08/04/2021

    Результаты эксперимента Фермилаб подтвердили наблюдаемое нарушение Стандартной модели

    7 апреля 2021 года Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми (Фермилаб, США) представила первые результаты масштабного эксперимента Muon g-2 по измерению аномального магнитного момента мюона.
    504
  • 09/07/2021

    Год науки и технологий/Наука и университеты: Специализированные учебные научные центры погружают детей в прикладную науку

     В Год науки и технологий Правительство РФ внесло на рассмотрение Государственной Думы законопроект о финансировании специализированных учебных научных центров (СУНЦ) из федерального бюджета, а не через систему грантов, как это было раньше.
    563
  • 05/03/2021

    Вопросы развития науки и образования рассматриваются в ходе рабочей поездки Михаила Мишустина в Новосибирск

    5 марта полномочный представитель Президента Российской Федерации в Сибирском федеральном округе Сергей Меняйло принимает участие в мероприятиях в рамках рабочей поездки Председателя Правительства России Михаила Мишустина​ в г.
    406
  • 11/02/2021

    Наука выходит в поле: биотехнологический научно-образовательный центр поможет развитию АПК

    В конце января приступил к работе Сибирский биотехнологический научно-образовательный центр мирового уровня, созданный в нашем регионе в рамках национального проекта «Наука». Уже сегодня там идет работа над 46 прикладными проектами из самых разных областей.
    487
  • 11/02/2021

    И женское дело тоже: три истории новосибирских женщин-учёных

    ​​Возможность получать такое же образование, какое получают мужчины, у женщин появилась относительно недавно. В России, например, всего 103 года назад — после революции. Тем не менее женщины наукой всегда не просто интересовались, а двигали прогресс вперёд и совершали настоящие открытия.
    748
  • 20/04/2021

    «Экран ФЭП»: экологичная конкуренция, сотрудничество с государством и симбиоз с наукой

    Новосибирск занимает уникальное место на карте мирового рынка электронно-оптических преобразователей (ЭОП), применяемых в приборах ночного видения. Здесь сосредоточены три из четырех российских (а это примерно половина всех мировых) предприятий, выпускающих эти устройства.
    436
  • 11/11/2020

    Город учёных посреди сибирской тайги: фоторепортаж об Академгородке Новосибирска

    Новосибирский Академгородок известен далеко за пределами самого Новосибирска. Основанный в 1957, город ученых собрал на своей территории десятки научно-исследовательских институтов, за что одна из его улиц – проспект Академика Лаврентьева – внесена в Книгу рекордов Гиннеса как «самая умная улица в мире».
    4048
  • 16/02/2021

    День российской науки — 2021

    Традиционно в честь Дня российской науки сибирские институты проводят просветительские мероприятия для студентов, школьников и всех, кто желает узнать чуть больше о большой науке. ​«Этот год был объявлен годом науки и технологий.
    5314
  • 08/08/2020

    «Академгородок 2.0» будут копировать и масштабировать

    ​​​Новосибирскую программу перезапуска развития территории с повышенной концентрацией науки и инноваций берут в другие регионы. Пожалуй, наиболее востребованная новость из недавней рабочей поездки в Новосибирск министра науки и высшего образования Валерия Фалькова была про увеличение бюджетных мест в вузах региона.
    1680
  • 28/06/2021

    Дистанционная летняя смена для участников олимпиад проходит в СУНЦ НГУ

    ​В СУНЦ НГУ на этой неделе началась дистанционная летняя смена олимпиадной подготовки для старшеклассников, увлеченных точными и естественными науками. Летняя смена олимпиадной подготовки (ЛСОП) – это двухнедельное погружение, направленное на интенсивную подготовку учеников 8–10 классов к участию в олимпиадах по математике, физике, химии, информатике.
    235