24 сентября 2021 года Обзор Алекс Смит

Ускорители элементарных частиц являются важным инструментом в таких исследовательских областях, как материаловедение, биология и физика элементарных частиц. Ученые постоянно ищут более сильные способы ускорения частиц для улучшения существующего оборудования и увеличения возможностей для экспериментов.

Диэлектрическое лазерное ускорение (DLA) – одна из таких надежных технологий. В этом методе ускорение частиц осуществляется в ближнем оптическом поле. Это происходит, когда ультракороткие лазерные импульсы концентрируются на нанофотонной структуре.

Используя эту технику, ученым с кафедры лазерной физики Университета Фридриха Александра в Эрлангене-Нюрнберге (FAU) удалось направить электроны через вакуумный канал, важный компонент ускорителей частиц.

Общая конструкция канала фотонной наноструктуры была разработана партнерами по исследованиям из Технического университета Дармштадта. Недавно они опубликовали свои объединенные результаты в журнале Nature .

Сохраняя концентрацию

Поскольку заряженные частицы склонны удаляться друг от друга по мере их рассеяния, все ускорительные технологии должны решать задачу удержания частиц в необходимых временных и пространственных границах. Следовательно, ускорители элементарных частиц могут иметь длину до 10 км и требуют многих лет подготовки и строительства, прежде чем их можно будет использовать, помимо огромных вложений

.

DLA использует сверхбыструю лазерную технологию и прогрессирует в производстве полупроводников, чтобы потенциально уменьшить размеры этих ускорителей до нескольких миллиметров или сантиметров.

Многообещающий метод: эксперименты уже показали, что DLA превосходит используемые в настоящее время технологии как минимум в 35 раз. Это означает, что длина перспективного ускорителя может быть минимизирована за счет того же фактора. Однако до сих пор было неясно, можно ли распространить эти цифры на более длинные и более длинные конструкции.

Группа физиков во главе с профессором доктором Питером Хоммельхоффом с кафедры лазерной физики FAU сделала огромный шаг вперед в адаптации DLA для применения в полностью функциональных ускорителях. В их эксперименте впервые была создана схема, с помощью которой можно направлять электронные импульсы на большие расстояния.

Технология – это ключ

Система, известная как «переменно-фазовая фокусировка» (APF), является методом, взятым из первых дней теории ускорителей. Фундаментальный закон физики означает, что концентрация заряженных частиц одновременно во всех трех измерениях – высоте, ширине и глубине – невозможна.

Тем не менее, это можно преодолеть, взаимозаменяемо фокусируя электроны в разных измерениях. Сначала электроны фокусируются с помощью модулированного лазерного луча, затем они «дрейфуют» по другому короткому проходу, где никакие силы не воздействуют на них, прежде чем они ускорятся в конце, что позволяет им быть направленными вперед.

В своем эксперименте исследователи из FAU и TU Дармштадта объединили колоннаду из овальных столбов с короткими промежутками через равные промежутки времени, давая начало повторяющимся макроячейкам. Каждая макроячейка оказывает фокусирующее или дефокусирующее влияние на частицы в зависимости от задержки между электроном, падающим лазером и зазором, образующим дрейфующую секцию.

Такое расположение позволяет точно контролировать фазовое пространство электронов в оптическом или фемтосекундном сверхвысоком масштабе времени (фемтосекунда соответствует миллионной миллиардной доли секунды).

В настоящем эксперименте воздействие лазера на структуру показывает увеличение тока луча через структуру. Если лазер не используется, электроны не могут направляться и медленно врезаются в стенки канала.

Это очень интересно. Для сравнения, большой адронный коллайдер в ЦЕРНе использует 23 из этих ячеек на кривой длиной 2450 метров. В нашей наноструктуре используются пять ячеек аналогичного действия размером всего 80 микрометров .

Йоханнес Илмер, соавтор исследования и физик, FAU

Когда можно ожидать появления первого ускорителя DLA?

Результаты чрезвычайно значительны, но для нас это всего лишь промежуточный шаг. И наша конечная цель ясна: мы хотим создать полнофункциональный ускоритель – на микрочипе .

Д-р. Рой Шайло, председатель лазерной физики, FAU

Исследователи сообщили о своих результатах в Nature . Исследование получило финансовую помощь от Фонда Гордона и Бетти Мур (# GBMF4744), проектов ERC NearFieldAtto (# 616823) и AccelOnChip (# 884217), а также проектов BMBF 05K19WEB и 05K19RDE.

Ссылка на журнал:

Shiloh, R., и др. . (2021) Управление фазовым пространством электронов в ускорении частиц на основе фотонных чипов. Природа . doi.org/10.1038/s41586-021-03812-9.

Источник: https://www.fau.eu