Экспериментальная установка. Лазерный импульс фокусировался на двухступенчатой газовой струе для получения электронного и бетатронного рентгеновского излучения.
(а) и (b) Схема геометрии лазерной мишени в двух случаях соответственно. Красные стрелки обозначают траектории лазера.
(c) Измеренное усредненное поперечное распределение плотности нейтрального газа при опорном давлении 4,1 МПа и профили плотности газа на различных высотах над соплом ускорителя.
Фото: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.225001.

Этот оптический метод может помочь инженерам разработать более мощные ускорители электронов для фундаментальных исследований квантовой физики и физики элементарных частиц или более компактные ускорители для использования в медицине и промышленности.

По сравнению с традиционными ускорителями, длина которых может достигать нескольких километров, лазерные ускорители кильватерного поля могут передавать в 1000 раз больше энергии на метр, что обеспечивает гораздо более компактную конструкцию, способную поместиться в большом помещении.

Устройство запускает лазер через пар, создавая ионизированную плазму, а затем отделяет электроны от ионов, создавая «след за собой», похожий на след, который оставляет лодка, двигаясь по воде. Затем он вводит электронный луч в ускоритель, который «плывет» по следу, быстро набирая энергию.

«Пучок частиц, выходящий из лазерного плазменного ускорителя, настолько короток по продолжительности, что свету потребовалось бы меньше времени, чтобы пересечь толщину волоса. Весь процесс ускорения происходит настолько быстро, в масштабе триллионной доли секунды, что его чрезвычайно трудно измерить», — сказал Александр Томас, профессор ядерной инженерии и радиологических наук, электротехники и компьютерных наук и физики в UM и старший автор исследования.

До этого момента процессы ускорения электронов измерялись посредством нескольких экспериментальных запусков, называемых многократным режимом, но эти методы полагаются на стабильность и воспроизводимость ускорителя, оставляя место для изменений между экспериментами.

«Очень важно точно диагностировать процесс ускорения электронов, чтобы максимизировать выигрыш в энергии электронов. Это может стать решающим шагом, продвигающим разработку будущих лептонных коллайдеров уровня тераэлектронвольт (ТэВ), которые будут использоваться для понимания фундаментальных законов природы», — сказал Томас.

Исследовательская группа осуществила диагностику однократного ускорения электронов в ходе эксперимента, проведенного на лазерном ускорителе кильватерного поля в усовершенствованном лазерном источнике света Национального института научных исследований в Квебеке, Канада.

Этот метод основан на явлении, которое возникает во время лазерного ускорения в кильватерном поле, известном как «бетатронное рентгеновское излучение», когда электроны испускают фотоны высокой энергии в рентгеновской области электромагнитного спектра, колеблясь в поперечном направлении.

«В нашей работе мы управляем интенсивным лазерным светом с помощью линейного изменения плотности плазмы, так что лазерный луч следует по изогнутой траектории, как и электронный луч, ускоряющийся вслед за лазерным лучом», — сказал Юн Ма, помощник научного сотрудника ядерной инженерии и радиологических наук в УМ и автор исследования.

Фотоны, испускаемые электроном, всегда следуют по касательной к его мгновенной траектории. Таким образом, фотоны, излучаемые в разное время, появляются под разными углами и, следовательно, в разных пространственных положениях на экране.

Свойства фотонов, а именно энергии фотонов и угловое распределение, полностью определяются свойствами электронного пучка. Таким образом, измерив свойства пространственно разрешенного фотона, исследователи смогли собрать воедино процесс ускорения электронов на основе одного эксперимента.

"Эта основная идея возникла у нас семь лет назад, используя так называемую технику «бетатронной полоски», и мы продемонстрировали ее осуществимость с помощью численного моделирования. Это был довольно захватывающий и увлекательный опыт — провести эксперимент, основанный на численном моделировании, и получить ожидаемые экспериментальные результаты", — сказал Ма.

«Это великолепный результат, который может открыть новые возможности для детального понимания лазерно-плазменных ускорителей», — сказал доктор Дэниел Зейпт из Института Гельмгольца в Йене, старший автор исследования, предоставивший теоретическую поддержку.

Результаты могут найти применение в расширенном управлении распространением лазерного луча и частиц, например, при разработке изогнутых плазменных каналов для связи многоступенчатых лазерных ускорителей кильватерного поля.

Многоступенчатый ускоритель кильватерного поля преодолеет энергетические ограничения одноступенчатого ускорителя, достигнув более высоких энергий частиц. Эти высокие энергии можно было бы использовать для экспериментов по квантовой механике, подобных тем, которые проводятся на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, но в меньшем и менее дорогостоящем масштабе.

Помимо квантовых исследований, многоступенчатые лазерные ускорители кильватерного поля в конечном итоге могут найти практическое применение для направленного разрушения опухолей при лечении рака или резки материалов с ограниченным тепловым повреждением в промышленных условиях.