Ускорить частицы до невероятных энергий поможет лазер и пузырьки водорода

Лазерный луч буквально выжимает из пузырька водорода ускоренные протоны.

Иллюстрация M. Murakami.

Учёные разработали новую концепцию протонного ускорителя. Речь идёт о сжатии микропузырьков водорода. Для такого сжатия предлагается применять мощный лазер. Физики рассчитали, что при схлопывании такие пузырьки будут "выстреливать" протонами, ускоряя их до огромных энергий. Теоретическая модель авторов описана в научной статье, опубликованной в журнале Scientific Reports группой во главе с Масакацу Мураками (Masakatsu Murakami) из Университета Осаки.

Ускорители частиц очень нужны человечеству. И речь не только о таких гигантах, как Большой адронный коллайдер, где определяются фундаментальные свойства материи. Эти устройства помогают моделировать космические взрывы, изучать ископаемые кости и древние рукописи, лечить рак, наконец.

Как сделать ускоритель достаточно мощным и вместе с тем достаточно компактным? Это трудная задача. В традиционной схеме пучок частиц летит по длинному туннелю, где его ускоряют мощным переменным магнитным полем. Понятно, что учёные не испытывают восторга от перспективы играть в графа Монте-Кристо каждый раз, когда им понадобится новый ускоритель.

В последние десятилетия было предложено и испытано несколько схем, использующих для ускорения частиц мощные лазерные импульсы с потоком излучения 1020–1022 ватт на квадратный сантиметр. Но даже лучшие из них разгоняют протоны максимум до ста мегаэлектронвольт. До недавнего времени считалось, что большей энергии можно добиться, только увеличив мощность лазера, но сделать это технологически сложно.

Команда Мураками поставила этот тезис под сомнение. Физики провели расчёты и показали: если создать в веществе пузырьки водорода размером в несколько микрометров, а затем, правильно подобрав режим облучения, сжать их, то на выходе получатся высокоэнергетические протоны.

Под давлением лазерного излучения пузырёк водорода "схлопывается" до размеров атома. Как уточняет пресс-релиз исследования, при этом скорость движения стенок пузырька получается лишь вдвое меньше световой. В итоге в его центральной части протоны испытывают давление примерно такое же, как внутри белого карлика. То есть плотность вещества получается фантастической: как если бы кубик сахара-рафинада весил 100 килограммов.

Напомним, что протоны и есть ядра атомов водорода. Не выдержав такой тесноты (ведь одноимённые заряды отталкиваются), они разлетаются из схлопнувшегося пузырька куда глаза глядят, но уже имея при себе невероятную энергию. Согласно расчётам авторов, таким путём можно пробить "барьер ста мегаэлектронвольт", не увеличивая мощность лазера.

Когда излучение лазера ослабевает, пузырёк расширяется снова до следующего импульса. Так, периодически сжимаемый лазерным лучом, он пульсирует, при каждом сокращении, как насос, выбрасывая из себя протоны.

Для подтверждения своих выкладок исследователи применили трёхмерное компьютерное моделирование. Тем не менее их выводы, конечно же, нуждаются в экспериментальной проверке. Но физики подчёркивают, что существующие технологии позволяют её провести.

Авторы надеются, что предсказанный ими эффект можно будет использовать в самых разных областях. Среди них имитация в лаборатории космических лучей высоких энергий, разработка термоядерных реакторов, уже упоминавшееся лечение онкологических заболеваний и создание новых химических веществ.

А пока новаторы готовятся к проверке своих идей, человечество сооружает ускорители по традиционным схемам. К слову, "Вести.Наука"(nauka.vesti.ru) недавно сообщали о запуске коллайдера с рекордной светимостью.