Ускорители частиц как большой адронный коллайдер (LHC- Large Hadron Collider) является чудом современной техники и технологии, но выявился слишком дорогостоящим и находится в Европе.
Министерством энергетики США в Беркли разработан лазерный ускоритель Белла с такими же возможностями, но со значительно уменьшенным размером и стоимостью как ускоритель частиц. Если модель заработает, то с помощью менее дорогостоящего лазерного ускорителя можно производить исследования в физике и появятся новые инструменты для промышленных и медицинских приложений.
Нет никаких сомнений в том, что большой адронный коллайдер это современное чудо, только потому, что он помог обнаружить бозон Хиггса частицу с целым собственным моментом импульса без уничтожения планеты, как опасались некоторые теоретики. Это также крупнейший ускоритель, из когда-либо построенных и его главное кольцо имеет расстояние 27 км и стоит 9 миллиардов долларов США. Однако его размер не просто вопрос престижа, но также способ работы вокруг ограничений, присущих ускорителям обычных частиц.
Как работает ускоритель
Чем быстрее они идут, тем больше шансов получить что-то интересное и научное, как бозон Хиггса. Проблема в том, что только слишком много энергии нельзя закачать в ускоритель заданной длины. Если выйти за определенный предел, то энергия начинает выходить из ускорителя независимо от того, из чего он изготовлен, как будто при слишком большом давлении подать воду в садовый шланг – он лопнет.
Инженеры сумели сделать достаточно длинный ускоритель частиц с накачкой большой энергии при определенной длине труб. Это работает, но недостатки накапливаются очень быстро. Действительно, большие ускорители вскоре станут такими огромными и дорогими, что можно посчитать количество их по пальцам одной руки – при условии, что вы потеряли четыре пальца.
Хуже того строительство становится геркулесовой задачей само по себе, нехватка машин означает, что их использование ограничено и только для исследований физики высоких энергий, а не для промышленных целей и на некоторые вопросы никогда не получить ответ потому, что понадобится ускоритель 1000 световых лет в диаметре, чтобы сделать работу.
Впервые в Калифорнийском университете еще в 1979 году разработан лазерно-плазменный ускоритель. По значению ученые представляют этот ускоритель для физики высоких энергий как микрочип для области электроники. По информации исследователей ускоритель использует лазеры вместо электромагнитных полей и это дало возможным уменьшить LHC в линейной трубе короче, чем футбольное поле.
Вместо закачки энергии непосредственно в частицы, лазерно плазменный ускоритель, как предполагает его название, стреляет лазером в облако плазмы, чтобы подтолкнуть электрон выйти на гораздо более высокие энергетические уровни.
Ускоритель разработан так, что когда легкие частицы, как электрон, отделяют от облака плазмы, он получает массовый заряд энергии в 1000 раз больше, чем в обычных ускорителях, поэтому уровни энергии достигают десятки миллиардов электрон-вольта.
Лазерно плазменный ускоритель выдает петаватт энергии, который занимает лишь 100 квадратных метров (1076 кв.м) пространства, но создает в 400 раз больше энергии в 40 фемтосекунд –40 квадриллион секунды.
Очевидно следующий шаг было бы строить гигантские лазеры и забыть о большом адронном коллайдере LHC, но такие лазеры имеют существенный недостаток: они занимают одну секунду для пополнения энергии. Это слишком долго, потому что физике высоких энергий нужны лазеры, которыми можно управлять десятки тысяч импульсов в секунду, при этом волна плазмы в ускорителе должна сохраниться достаточно долго, чтобы иметь практический интерес.
Для реализации этого недостатка ученые предлагают использовать параллельно большее количество лазеров, но теперь возникает новая проблема, как синхронизировать лазеры, если они будут стрелять в менее чем фемтосекундном промежутке.
Если модель и этот принцип работы ускорителя удержится на практике в реальном мире то это означает меньшие и более дешевые способы изучения физики высоких энергий, и их можно будет перемещать из лаборатории на фабрики и больницы.
Пока Европейский большой адронный коллайдер является самой крупной действующей экспериментальной установкой в мире.
