Физики-теоретики из Сибири создали теоретическую модель ускорения электронов с помощью волны, образованной протонами в плазме.

Правильность расчетов была подтверждена в рамках эксперимента AWAKE, начавшегося недавно в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Удалось ускорить электроны новым методом, обещающим в будущем увеличить энергию электронов в 100 раз по сравнению с современными достижениями. О рекорде, революционном методе, "фантастической" плазме и миниатюрных ускорителях будущего "Известиям" рассказал главный научный сотрудник Института ядерной физики СО РАН, профессор Новосибирского государственного университета Константин Лотов.

- Константин Владимирович, физики-теоретики, участвовавшие в этом эксперименте, называют друг друга кильватерщиками. Почему так?

- Мы занимаемся кильватерным ускорением. Это особый метод, который предполагает, что впереди идет какой-то первичный пучок (драйвер), а уже за ним следуют электроны. Можно сравнить это со следом за кораблем, по которому мчится серфер.

- Зачем нужен новый способ ускорения электронов?

- Человечество научилось ускорять протоны до очень большой энергии, а вот электроны получается ускорить до энергии, в 100 раз меньшей. Наша идея состоит в том, что мы подцепляем электроны к протонам и, таким образом, ускоряем электроны до протонного потолка.

- Зачем вообще физикам понадобилось ускорять электроны?

- Это способ разобраться в устройстве нашего мира. Сначала нужно понять, как устроены кварки, а в конечном счете - как устроена Вселенная. Это новый инструмент для физических исследований. Какие-то инструменты, конечно, уже существуют - это Большой адронный коллайдер (разгоняет только протоны), нейтринные обсерватории. Они дают информацию, но хочется знать больше. Эксперимент AWAKE призван в будущем дать в руки физиков новый, более мощный инструмент для исследований.

- Сколько кильватерщиков во всем мире?

- Десятки научных лабораторий и институтов. Около ста человек были привлечены к эксперименту AWAKE. В нашем институте человек десять занимаются этой тематикой. У меня обе диссертации были посвящены разным способам кильватерного ускорения.

- Теоретиков вы отбирали для работы?

- Они сами изъявляют желание работать. Это были ученые из нескольких стран. Можно сказать, все на добровольных началах делается: каждый участник финансируется своим институтом. Моя работа как координатора состоит именно в координации. Я говорю, какая проблема на данный момент важна, что нужно просчитать именно сейчас, на что нужно выделить человека.

- И тем не менее все говорят, что "мозги эксперимента" находились в России...

- Скажем так: больше половины ответов, которые дали теоретики, были нашими ответами. Кроме нас португальская группа очень сильно вложилась в проект и университет Дюссельдорфа, в котором работает наш соотечественник Александр Пухов.

- Действительно ли экспериментаторы смогли получить такую однородную плазму, которую еще в условиях Земли получать не удавалось?

- Да, и изначально наши расчеты очень испугали экспериментаторов. Нужно было в трубе длиной 10 м и радиусом 4 см создать однородную плазму с постоянной плотностью по всей трубке. Мы определили величину отклонения плотности - 0,2%. Это была теоретическая работа. До этого, в других экспериментах, величина отклонения была не менее 5%. Если не говорить, каким образом эта плазма создана, любой плазмист скажет, что это фантастика.

- Что же фантастического в такой плазме?

- Ну представьте, что вы строгаете доску. Вы можете сделать ее шероховатой, а можете очень гладкой. Приходит человек и говорит: "Сделайте мне доску такую гладкую, чтобы в нее можно было, как в зеркало, смотреться". Любой плотник скажет, что это невозможно. Мы же посчитали, что возможно, и поняли, что для этого нужно. И только в такой плазме электроны смогли пролететь с таким большим ускорением.

- Вначале вы создали теоретическую модель, а потом уже начался эксперимент?

- Все происходило параллельно. Ведь всегда что-то не получается, нужно быстро включиться и просчитать варианты. Например, в случае AWAKE ключевым вопросом был способ запуска электронов: как электроны попадут в трубу, чтобы дожить до плазмы и ускориться? Сначала мы предложили: "Давайте проделаем дырочку в трубе сбоку". Некоторое время это было базовым вариантом проекта, обсуждалось, как это сделать, писались статьи с расчетами - техническими деталями. Но на одном из собраний экспериментаторы сказали: "Ребята, ничего не получается. Если в трубе сделать дырку, плазма уже не будет такой ровной". В переводе на наш "плотницкий пример" это звучит так: если в доску вбить гвоздь, смотреться в нее, как в зеркало, уже не получится. Мы подумали еще и нашли способ запуска через торцевое отверстие "под углом". И "кривой вариант" сработал.

- Почему сработал именно кривой? Они отталкиваются от чего-то?

- Есть нежелательная область на входе, мимо которой неплохо бы пройти. Если говорить языком аналогий, есть прямая дорога через лес, в лесу разбойники, поэтому надо кривой дорогой вокруг леса обойти.

- Что же в трубе с плазмой играет роль разбойников?

- Между однородной плазмой в термостатированной трубе и вакуумом, по которому пучок протонов подлетает к этой трубе, есть переходная область, в которой плотность плазмы меняется, возникают электрические поля. Мы их можем рассчитать, но не можем контролировать. Эти электрические поля способны выкинуть электронный сгусток на стенку, и он до нашей однородной плазмы никогда не долетит.

- Как вы узнали, что ваши расчеты подтвердились и эксперимент успешно завершен?

- По электронной почте. Есть рассылка по участникам коллаборации о прогрессе. Например, успешно прошел протонный пучок, успешно прошел лазерный импульс, который нужен для самомодуляции, успешно заработала плазма. Мне написали: успешно прошел эксперимент.

- И как вы это восприняли?

- Спокойно. Мы были уверены в наших расчетах.

- Сколько раз нужно запустить электроны, чтобы убедиться, что эксперимент действительно успешен и это не ошибка оборудования?

- По факту между первым успешным выстрелом, который уже можно "показывать" в научной статье, и обнародованием результатов проходит довольно много времени. В течение него люди стреляют десятки тысяч раз. Выстрел - это же быстро!

- Действительно ли метод кильватерного ускорения поможет строить маленькие коллайдеры?

- Поможет. Но не коллайдеры, а уникальные источники излучения. И не совсем тот вид ускорения, который применялся в эксперименте AWAKE. Существует три направления кильватерного ускорения: протонное, электронное, лазерное. AWAKE - это протонное ускорение, для него нужен большой ускоритель протонов. А вот для лазерного кильватерного ускорения может использоваться прибор размером со стол. Эти фантастические времена уже близки. Волна в таких приборах будет создаваться не протонным пучком из огромного церновского комплекса, а настольным лазером. Длина плазмы будет равняться нескольким миллиметрам. С одной стороны влетает лазер, с другой стороны вылетают ускоренные электроны или рентгеновский импульс. Когда-нибудь каждый университет сможет купить себе такую установку.

Анна Урманцева

 

Похожие новости

  • 10/10/2016

    Физик Андрей Соколов: мы стали на шаг ближе к мечте о новом коллайдере в Сибири

    Физик Андрей Соколов из Института ядерной физики имени Будкера СО РАН рассказал РИА "Новости" о том, повлияли ли санкции на строительство позитрон-электронного коллайдера в Новосибирске, о будущем Большого адронного коллайдера и о том, удалось ли его венгерским коллегам найти "шестую фундаментальную силу".
    809
  • 13/05/2016

    Александр Брязгин: в мире широко распространена практика облучения продуктов питания

    С 1 января 2016 года начал действовать соответствующий ГОСТ-ISO. Новосибирский Институт ядерной физики имени Г.И Будкера уже сейчас готов поставить оборудование для облучения продуктов. Корреспондент "Уралинформбюро" побеседовал с заведующим научно-исследовательской лабораторией ИЯФ Сибирского отделения РАН Александром Брязгиным.
    2440
  • 27/11/2016

    Валерий Тельнов: разгадка новейших открытий станет настоящей революцией в науке

    Интервью с главным научным сотрудником Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН, доктором ф.-м. наук, профессором Валерием Тельновым​.  - Валерий Иванович, мне неоднократно приходилось слышать, будто за последние тридцать лет в физике не произошло ничего существенного, никаких прорывных достижений, способных открыть нам новые стороны реальности и посодействовать очередному технологическому рывку.
    1203
  • 09/04/2017

    Новосибирские ученые усовершенствовали устройство термоядерного реактора

    Улучшить работу термоядерного реактора и сделать доступным полет на Марс. Ученые Института ядерной физики представили свою разработку. Установка «Смола» не имеет ничего общего с деревьями. Это - замена насосу в термоядерном реакторе.
    856
  • 15/12/2016

    Директор ИЯФ СО РАН Павел Логачёв об ответственности академика, коллайдерах и Нобелевских премиях

    Для доктора физико-математических наук Павла Логачёва последние два года отмечены важными вехами в карьере. В 2015 году он стал третьим по счёту после Герша Будкера и Александра Скринского директором Института ядерной физики СО РАН — крупнейшего академического института России.
    3291
  • 05/12/2015

    Лауреаты научных премий по физике за ... 2016 год

    ​Объявлены лауреаты научных премий за 2016 год, учрежденных Американским физическим обществом. Да-да, именно за 2016-й - эти заокеанские физики немножко живут в будущем. Премию Роберта Вильсона за выдающиеся достижения в физике ускорителей заряженных частиц получит новосибирский ученый, заведующий лабораторией Института ядерной физики СО РАН Василий Пархомчук.
    1602
  • 01/12/2016

    Анатолий Шалагин: «Занятие наукой ― это ни с чем несравнимое удовольствие»

    Выпускник НГУ 1965 года Анатолий Михайлович Шалагин ― советский и российский физик, академик РАН, директор Института автоматики и электрометрии СО РАН, заведующий кафедрой квантовой оптики в Новосибирском государственном университете.
    1663
  • 30/08/2017

    Михаил Рычев: самый большой в мире лазер совершит прорыв в науке

    ​Первого сентября под Гамбургом состоится открытие самого мощного в мире лазера на свободных электронах. О сути уникального проекта корреспонденту "РГ" рассказывает спецпредставитель НИЦ "Курчатовский институт" в европейских исследовательских организациях Михаил Рычев.
    682
  • 07/09/2016

    Как в Сибири создают альтернативный термояд

    ​Сообщение о прорыве сибирских физиков стало мировой сенсацией  ("РГ" 17.08.2016 "Солнце в трубе").  Речь идет об альтернативном варианте получения экологически чистой и неисчерпаемой энергии - термояде.
    1265
  • 08/08/2016

    Анатолий Шалагин: аддитивные технологии открывают перед человечеством принципиально новые возможности

    ​Директор Института автоматики и электрометрии СО РАН академик Анатолий Михайлович Шалагин из тех, кто не любит много говорить, а сразу предлагает пройтись по лабораториям. "Лучше один раз увидеть", - считает он .
    2374