Ускорение протонов за счет распространения электростатических волн, вызванных интенсивным лазерным облучением большой площади подвешенного графена
Физики из Университета Осаки использовали лазеры для создания движущегося электрического поля, которое ускоряет протоны до очень высоких энергий. Этот адаптированный подход в конечном итоге может способствовать разработке ускорителей частиц следующего поколения. Учёные использовали лазер с длинным импульсом и сверхтонкие графеновые мишени для ускорения протонов (достигнув почти половины скорости света) до энергии 132 МэВ. Эксперимент продемонстрировал улучшенные возможности ускорения ионов с помощью лазера с длинным импульсом, а моделирование показало, что протоны получали энергию от движущегося электрического поля в течение длительного периода времени. Результаты исследования опубликованы в журнале Progress of Theoretical and Experimental Physics.
Рис. 1. Схема установки эксперимента.
Ключ к этому подходу заключался в свойствах графена, который обладает необычным сочетанием чрезвычайной тонкости и прочности. Нанометровые графеновые мишени выдержали начальный предимпульс лазера, оставаясь целыми до прихода основного импульса.
Рис. 2. Результаты двумерного PIC-моделирования для 16-слойного LSG.
Результаты моделирования показали, что затем генерировал распространяющуюся электростатическую волну, которая перемещалась через плазму, создавая ускоряющее поле, которое переносило энергичные протоны вперед в течение нескольких пикосекунд.
Рис. 3. Сравнение функций распределения энергии протонов между (а) экспериментальными результатами, полученными с использованием многослойного детектора CR-39, и (б) численными результатами. Эти распределения не нормированы.
Задача состоит не только в том, чтобы получить эти редкие высокоэнергетические протоны, но и в том, чтобы надежно их идентифицировать. Необходимо просмотреть миллионы изображений детекторов в поисках сигналов, оставленных отдельными ионами, и отличить протоны с самой высокой энергией от фонового шума. Высокоэнергетические протоны встречаются редко, а это значит, что сигналы, которые они оставляют в детекторе, трудно идентифицировать. Чтобы преодолеть сложную задачу анализа миллионов изображений, исследователи использовали сверточную нейронную сеть для поиска сигналов протонов. Нейронная сеть достигла точности 99,2% в одном измерении высокоэнергетических сигналов и позволила команде подтвердить наличие сигналов протонов с энергией до 132 МэВ.
