Чем больше коллайдер, тем выше энергия столкновения частиц, и тем больше открывается новых областей для исследования. Но ставка на сверхвысокие энергии – это дорого и сложно. Поэтому в физике развиваются другие методы, один из них – кильватерное ускорение, при котором пучок частиц ускоряется электрическим полем плазменной волны, возбуждаемой драйвером. В лаборатории SLAC (США) впервые в мире была измерена долговременная динамика плазменной кильватерной волны. Эксперимент помогли интерпретировать теоретики Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). Они рассчитали динамику волны до 1500 пикосекунд, что в 40 раз превосходит результаты других теоретических групп. Оказалось, что более 80% начальной энергии волны остаётся в плазме и переходит в энергию ее разлёта. Это делает оценки некоторых параметров будущих кильватерных ускорителей менее оптимистичными, чем считалось ранее. Статья об этом опубликована в Nature Communications.

wake ni 

Моделирование динамики ионов в эксперименте SLAC. Предоставлено В. Худяковым

Ускорители элементарных частиц – один из главных инструментов фундаментальной науки в исследовании материи, также они применяются в прикладных областях. Но современные задачи ставят все более высокие требования к энергии ускоряемых частиц. Крупнейшие современные установки имеют характерные размеры в несколько километров, а их создание и обслуживание обходится в миллиарды долларов. При этом классические технологии, по которым строятся ускорители, приближаются к своему пределу. Это заставляет искать альтернативные методы, например, плазменное кильватерное ускорение. Идея кильватерного ускорения в плазме возникла в 70-х годах, а название метода появилось из-за аналогии со следом на поверхности воды, который остается за кормой идущего судна. Пучок-драйвер, проходя через плазму, создает в ней волну и таким образом разгоняет электроны, летящие следом.

В эксперименте SLAC, предназначенном для уточнения механизмов кильватерного ускорения, в камеру с газом был направлен электронный пучок, поле которого настолько сильное, что разрывает связи между электронами и ионами атомов газа, в результате чего образуется плазма. В плазме хвостом пучка возбуждается кильватерная волна большой энергии. «Главной целью эксперимента было наблюдение эволюции плазмы на больших временах, – прокомментировал аспирант НГУ Вадим Худяков. – Также физики пытались установить, каким образом энергия волны перераспределится после её затухания в плазме, и как она покинет камеру. Это нужно для ответа на важный технический вопрос: с какой частотой может работать кильватерный ускоритель, ведь между выстрелами вся энергия предыдущей волны должна быть удалена из камеры. В камеру специальным образом посылали лазерное излучение так, что плазменный канал оказывался для него непрозрачен, что давало тёмное пятно на изображениях. По размерам и скорости роста пятна можно судить, сколько энергии остаётся в плазме, и как быстро она достигнет стенок камеры».

Константин Лотов, доктор физико-математических наук, профессор НГУ, главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН отметил, что эксперимент получился сложный не только в постановке, но и в обработке: «Его ставили признанные мастера своего дела. Темное пятно на экране расширялось намного быстрее, чем можно было ожидать из сколько-нибудь разумных соображений. Оказалось, что за быстрым ростом пятна стоит много новых эффектов, о которых раньше никто не подозревал. Для объяснения эксперимента объединили свои усилия две ведущих вычислительных команды: теоретики из Лиссабонского университета (Португалия) с кодом OSIRIS, и мы c программой LCODE. У них была возможность рассчитать, что происходит в плазме на начальных временах (до 40 пикосекунд). Мы же рассчитали динамику до 1500 пикосекунд – в 40 раз дальше португальцев и всего мира, и в итоге добились количественного согласия с экспериментом».

Плазма имеет давление гораздо большее, чем у окружающего газа, и неизбежно начинает разлетаться к стенкам, но естественная оценка скорости этого разлёта не соответствовала наблюдаемой, и количества этой плазмы не хватило бы для пятна такого размера. Стало очевидно, что возникает большое количество новой плазмы, то есть происходит дальнейшая ионизация газа, пояснил Вадим Худяков.

LCODE – программа, разработанная в ИЯФ СО РАН под руководством Константина Лотова. Она предназначена для численного моделирования взаимодействия плазмы с пучками заряженных частиц при параметрах реальных экспериментов по кильватерному ускорению. С одной стороны, она позволяет сравнивать результаты экспериментов и моделирования и удостовериться, что физики правильно понимают происходящие явления. С другой, код помогает подсказать оптимальные параметры установок для будущих экспериментов и приблизиться к практической реализации кильватерного ускорителя. За счет использования оригинальных физических моделей LCODE существенно уменьшает время моделирования и позволяет рассматривать процесс на временах, недоступных другим, более «прямолинейным» кодам.


«Как только была высказана идея об ионизации газа разлетающейся плазмой, возникла необходимость учесть это в LCODE, – комментирует Вадим Худяков. – Но ионизация – сложный процесс, который может проходить разными способами, моей задачей и было составить правильную физическую модель и учесть все эти способы, а потом реализовать в программе LCODE. В итоге нам удалось достигнуть количественного согласия роста пятна в эксперименте и в нашем моделировании. Эксперимент (ввиду технической сложности) даёт гораздо меньше информации, чем моделирование, но когда получено согласие, можно доверять той дополнительной информации и ответить на интересующие вопросы. В моделировании мы выяснили, что в самом начале волна выбрасывает часть электронов из плазмы, в этом случае плазма расширяется не из-за собственного давления, а из-за того, что становится заряженной. Скорость такого разлёта оказывается гораздо выше, а совместное действие разных способов ионизации объясняет появление новой плазмы. Главным результатом оказалось то, что более 80% начальной энергии волны остаётся в плазме и переходит в энергию этого разлёта. Это делает оценки возможной частоты выстрелов менее оптимистичными, чем считалось ранее».


Авторы отмечают, что в моделировании также было замечено много нетривиальных эффектов, объяснением которых они планирует заниматься в будущем. В диагностике текущего эксперимента их было невозможно наблюдать, но они могут сыграть роль в последующих, более тонких наблюдениях.

Пресс-служба ИЯФ СО РАН

Источники

Российские теоретики объяснили уникальный эксперимент
Наука в Сибири (sbras.info), 22/09/2020
Российские теоретики объяснили уникальный эксперимент
Поиск (poisknews.ru), 22/09/2020
Российские теоретики объяснили уникальный эксперимент
Институт ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН (inp.nsk.su), 22/09/2020
Российские теоретики объяснили уникальный эксперимент
Научная Россия (scientificrussia.ru), 22/09/2020
Новосибирские учение объяснили уникальный эксперимент
Atas.info, 22/09/2020
Российские теоретики объяснили уникальный эксперимент
Новости науки (novostinauki.ru), 22/09/2020
Российские теоретики объяснили уникальный эксперимент на американском коллайдере
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 23/09/2020
Российские теоретики объяснили уникальный эксперимент
Сибирское отделение Российской академии наук (sbras.ru), 23/09/2020
Российские ученые рассчитали динамику плазменной кильватерной волны
Индикатор (indicator.ru), 23/09/2020
Российские ученые рассчитали динамику плазменной кильватерной волны
Рамблер/новости (news.rambler.ru), 23/09/2020
Российские ученые рассчитали динамику плазменной кильватерной волны
Seldon.News (news.myseldon.com), 23/09/2020
Новосибирские ученые-теоретики объяснили уникальный эксперимент
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 23/09/2020
Российские теоретики объяснили уникальный эксперимент
Новосибирский государственный университет (nsu.ru), 25/09/2020
Российские теоретики объяснили уникальный эксперимент
Nanonewsnet.ru, 25/09/2020
Кильваторное ускорение плазмы Российские теоретики объяснили уникальный эксперимент
Поиск (poisknews.ru), 01/10/2020
Российские теоретики объяснили уникальный эксперимент
Cd-bar.com, 07/10/2020

Похожие новости

  • 28/02/2019

    В ЦЕРН обнаружили новую частицу, которая уточнит кварковую модель

    ​Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила об открытии нового состояния c-кварка и анти c-кварка – частицы ψ3(1D).
    1423
  • 15/08/2019

    Эксперимент Belle II пройдет с участием ученых Академгородка

    ​Эксперимент Belle II — это один из экспериментов в физике высоких энергий, работающий на передовых рубежах современной науки. Данные, полученные в результате эксперимента, позволят проверить предсказания Стандартной модели для вероятностей редких распадах B- и D-мезонов и t-лептона, улучшить точность измерения параметров нарушения симметрии между веществом и антивеществом и, возможно, обнаружить проявления новой физики.
    1094
  • 23/05/2019

    Археологи выделили на юге Западной Сибири новую культуру эпохи неолита – барабинскую

    Ученые Института археологии и этнографии СО РАН (ИАЭТ СО РАН) выделили на юге Западно-Сибирской равнины новую неолитическую культуру – барабинскую. Основой полученных данных стали исследования уникального комплекса, состоящего из двух жилых сооружений, артефактов из них, а также нескольких своеобразных ям для заготовки рыбы.
    1374
  • 27/03/2019

    Эксперимент в ЦЕРН подтвердил существование редких многокварковых состояний

    Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), 26 марта на конференции Moriond QCD объявила об обнаружении в распадах Λb-бариона трех пентакварков – «экзотических» структур, состоящих из пяти кварков.
    880
  • 14/04/2017

    На коллайдер SuperKEKb в Японии установили детектор Belle II с российским оборудованием

    В ускорительном центре КЕК (Цукуба, Япония) завершена установка детектора Belle II в место встречи пучков коллайдера SuperKEKB, сообщает пресс-служба КЕК. Общий вес детектора превышает 1400 тонн. Одна из его ключевых систем – 40-тонный электромагнитный калориметр на основе кристаллов йодистого цезия – был создан и разработан при определяющем участии Института ядерной физики им.
    1844
  • 09/07/2020

    Физики изучают возможность генерации «закрученных» поверхностных плазмон-поляритонов на Новосибирском лазере на свободных электронах

    ​​Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирского государственного университета (НГУ) совместно с коллегами из Самарского национального исследовательского университета имени академика С.
    1571
  • 15/07/2019

    В ЦЕРН обнаружили новую частицу

    ​Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила об открытии двух новых возбужденных состояний прелестного бариона, которые, возможно, являются новой частицей Λb (1D) (лямбда-б барион (1D)) или Σb (сигма-б барион).
    862
  • 26/08/2016

    Ученые СО РАН представили результаты работы на Международной конференции в области высоких энергий

    ​Специалисты Новосибирского государственного университета и Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН приняли участие в 38-й Международной конференции в области физики высоких энергий в Чикаго (ICHEP-2016).
    3761
  • 04/06/2020

    Эксперимент геологов и физиков внес вклад в понимание природы железных метеоритов

    Научная группа Института физики высоких давлений им. Л. Ф. Верещагина РАН (ИФВД РАН), Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН), Новосибирского государственного университета (НГУ) совместно со специалистами Института ядерной физики им.
    511
  • 25/05/2017

    Большой адронный коллайдер возобновил сбор данных

    На Большом адронном коллайдере (БАК) закончились технические работы и модернизация — он возобновил сбор данных, в трех экспериментах на коллайдере участвуют исследователи НГУ и ИЯФ СО РАН. Планируемая остановка на технические работы на БАК случается в начале каждого года.
    2470