В своих экспериментах группа выпустила мощный лазерный импульс в пластиковую сферу микрометрового размера, выбив пучок протонов из цели и разогнав их до скоростей, приближающихся к скорости света. Результирующее распределение скорости намного уже, чем полученное при использовании тонкой металлической фольги в качестве мишени.
В последние годы произошел значительный прогресс в развитии нового подхода к ускорению субатомных частиц. Эта стратегия использует интенсивные электрические поля, связанные с импульсными лазерными лучами высокой энергии, для ускорения электронов и протонов до « релятивистских » скоростей (i.е. скорости приближаются к скорости света). Ускорение протонов с помощью лазера открывает новый путь к созданию компактных ускорителей частиц.
До сих пор лазерный выстрел обычно направлялся в тонкую металлическую фольгу, генерируя и ускоряя плазму из свободных электронов и положительно заряженных ионов. Физики из Университета Людвига-Максимилиана (LMU) в Мюнхене заменили мишень из фольги пластиковой микросферой диаметром в одну миллионную метра. Эти бусинки настолько крошечные, что их нельзя стабильно позиционировать с помощью механических средств. Вместо этого исследователи используют электрическое поле, чтобы левитировать целевую частицу.
Используя схему обратной связи, левитирующий шарик может быть захвачен с достаточной точностью, чтобы гарантировать, что он не смещается с оси пучка. Электромагнитная ловушка спроектирована и изготовлена на кафедре медицинской физики ЛМУ.
Эксперименты проводились в сотрудничестве с исследователями из Института квантовой оптики Макса Планка, Центра им. Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе, GSI Helmholtzzentrum fur Schwerionenforschung (Центр исследований тяжелых ионов) в Дармштадте, Технического университета Дармштадта, Технического университета Дрездена. , Университет Гете во Франкфурте-на-Майне и Институт Гельмгольца в Йене.
Для взрыва пучка протонов из такой пластиковой микросферы требуются чрезвычайно мощные и эффективные лазерные системы. Лазер PHELIX в Дармштадте, который использовался в экспериментах, имеет необходимые характеристики. Он способен генерировать лазерные импульсы продолжительностью 500 фемтосекунд (1 фемтосекунда эквивалентна миллионной миллиардной общей секунды) и передавать 150 джоулей энергии (количество, необходимое для запуска яблока на высоту 75 метров).
Энергия лазера фокусируется на области с диаметром, сопоставимым с шириной человеческого волоса.
Достигнутая удельная мощность эквивалентна размещению общего количества энергии, произведенной во всем мире за один год, на площади 1 см2. Благодаря особой геометрии микросферной мишени, используемой в этих экспериментах, воздействие лазерного луча создает плазму, свойства которой практически невозможно воспроизвести, бомбардируя фольгированную мишень.
Обычное ускорение протонов с помощью лазера приводит к образованию сгустков протонов, в которых распределение скоростей экспоненциально, т.е.е. большая часть частиц ускоряется до относительно низких скоростей, и очень немногие из них выбрасываются из цели с максимальной скоростью. Сгустки протонов, генерируемые в новом исследовании, сильно отличаются в этом отношении: у них очень узкий энергетический разброс — другими словами, большинство частиц имеют очень похожие скорости.
Такое поведение очень необычно для лазерных протонных пучков и имеет решающее значение для будущих приложений нового подхода.
Параллельно с экспериментальной работой команда также провела моделирование динамики протонной плазмы на суперкомпьютере TITAN. Результаты показывают, что типичный протонный сгусток содержит примерно 14 процентов протонов, присутствующих в исходной сферической мишени.
Это, в свою очередь, означает, что значительная часть пластиковой сферы ускоряется компактным и направленным образом в этих условиях. Более того, моделирование также показывает, что только небольшая часть энергии, доставляемой лазером, фактически передается протонам, что указывает на то, что есть много возможностей для улучшения.
Основной подход аналогичен столкновению бильярдных шаров. «В нашем эксперименте один из шаров сделан из света, а другой — наша крошечная левитирующая цель», — объясняет Питер Хильц, руководивший экспериментами.
Этот новый подход к генерации протонных пучков сделает возможными эксперименты, которые до сих пор были недосягаемы. «В ближайшие годы мы сконцентрируемся на оптимизации нового процесса ускорения с помощью дальнейшего моделирования и экспериментов», — добавляет Хильц.
Возможные будущие применения можно увидеть в исследованиях термоядерного синтеза, материаловедении и лечении рака. Сгустки протонов, полученные с помощью новой техники, также должны представлять интерес для исследований в области фундаментальной физики.
Например, они могут позволить воссоздать в лабораторном масштабе состояния материи, обнаруженные внутри Солнца или во внутренних углублениях планет-гигантов, таких как Юпитер и Сатурн. Торстен Нэзер