лазерно-плазменное ускорение

В кольцевом канале между двумя зубчатыми кольцами висят микросферы: одни радиусом 8 микрометров, другие 14. Включается разряд, и частицы приходят в движение. Мелкие едут в одну сторону, крупные в другую. Словно в торговом центре, где для людей разного роста работают эскалаторы, движущиеся навстречу друг другу.

В подвале лаборатории гудит магнит на 8 тесла. Внутри него, как колокол в колокольне, висит полый медный цилиндр, настроенный на одну-единственную ноту. Если где-то рядом пролетит аксион, частица тёмной материи, цилиндр отзовётся слабым звоном. Беда в том, что обычная медь глушит этот звон: при высоких частотах ток течёт лишь по тонкой коже металла, и потери растут.

Газовая мишень похожа на воронку: чем круче её стенки, тем сильнее поток. Только в этой воронке течёт не вода, а ультрафиолетовый свет, который рождается, когда мощный лазерный импульс проходит сквозь облако аргона. Эффективность такого преобразования обычно ничтожна — около 0.001%: из тысячи фотонов лазера лишь один превращается в полезный ультрафиолет.

Голубое свечение в воде вокруг ядерного реактора — это свет, который рождается, когда заряженная частица обгоняет свет в этой среде. Эффект открыл Павел Черенков в 1934 году, а теорию дали Игорь Тамм и Илья Франк. С тех пор черенковское излучение стало рабочим инструментом: от детекторов частиц до астрофизики.

Лазерный импульс врезается в облако газа и выбивает из него электроны, оставляя за собой пузырь — полость, где почти нет частиц. Этот пузырь летит сквозь плазму почти со скоростью света, а его стенки тянут за собой попавшие внутрь электроны, как быстроходный катер тянет за собой водного лыжника.

Три дня подряд лазер бил в струю газа, и каждую секунду рождался пучок электронов с энергией, как у маленькой молнии. Раньше такие пучки получали только в огромных залах, где ускоритель занимает целое здание. Теперь вся установка уместилась в комнате и проработала без сбоев 72 часа.

Когда мощный лазерный импульс попадает в газовую среду, он ионизирует атомы — вырывает электроны, — и разгоняет их до релятивистских скоростей, близких к скорости света. Эти высокоэнергичные электроны, пролетая через плазму, испускают рентгеновское излучение, подобно светящемуся следу от быстрой частицы.

Внутри солнечной вспышки магнитные линии рвутся, как натянутые резиновые жгуты, и перехлёстываются заново — за минуты высвобождая энергию, которой хватило бы человечеству на миллионы лет. В лаборатории этот процесс, магнитное пересоединение, долго умели лишь запускать, но не останавливать. Теперь у физиков появился рубильник.

Обычный лазерный луч распространяется прямолинейно, подобно свету фонарика. Однако свет можно закрутить в спираль, напоминающую нить штопора. Такой луч несёт орбитальный угловой момент (ОУМ) — свойство, при котором свет не просто освещает, но и вращает всё, что встречает на пути. Физики направили этот закрученный свет в плазму, чтобы разогнать электроны.

Стрелок целится в мишень, нажимает на спуск — и слышит два выстрела: один громкий, другой тихий. Так работает новая установка, только вместо пуль — электронный сгусток, а вместо выстрелов — две вспышки света. Одна вспышка рентгеновская, другая — терагерцовая. Они летят в одну точку с идеальным интервалом.

Медная пластинка размером с монету испаряется под ударом лазера за миллиардные доли секунды. Горячее облако меди врезается в холодный гелий, как струя пара в морозный воздух. На снимках виден чёткий пузырь с тонкими нитями по краям — плазма не расширяется ровно, а распадается на волокна толщиной с человеческий волос.

В кольцевом ускорителе пучок электронов мчится по замкнутой траектории миллионы раз. Если электроны закручены, как нити в верёвке, их вихревое движение — орбитальный угловой момент — должно сохраняться. Но на пути пучка встречаются случайные толчки от несовершенных магнитов, которые могут разрушить эту структуру.

Чтобы заглянуть глубже в устройство мира, физики разгоняют электроны и сталкивают их между собой. У обычного электрона есть собственный момент импульса — спин, который можно представить как ось вращения крошечного волчка. В обычном пучке эти оси направлены хаотично.

Вспышка длится тысячную долю секунды, но за это мгновение выбрасывает столько энергии, сколько Солнце излучает за день. Такие сигналы — быстрые радиовсплески — ловят телескопы с 2007 года, а их источник остаётся загадкой. Новая работа предлагает элегантный ответ: всё дело в космическом усилителе.

В огромных облаках разреженного газа, заполняющих пространство между звёздами, постоянно что-то бурлит. Взрывы сверхновых, сталкивающиеся потоки — всё это встряхивает плазму. И в этой ряби, как выяснилось, прячется механизм рождения магнитных полей. Плазма — это газ, в котором электроны оторваны от атомов.

В созвездии Орла, на расстоянии около 40 тысяч световых лет от нас, работает один из самых мощных природных ускорителей в Галактике. Это микроквазар GRS 1915+105 — пара из обычной звезды и черной дыры. Черная дыра перетягивает на себя вещество звезды и выбрасывает его в виде двух узких струй, разогнанных почти до скорости света.

Заводской лазер, который на производстве режет и сваривает металл, впервые заставили работать ускорителем частиц. Физики взяли стандартный иттербиевый лазер — его сердцевина из кристалла размером с ладонь — и превратили его вспышки в инструмент для разгона электронов почти до скорости света.

Космос полон невидимых спринтеров — частиц, мчащихся почти со скоростью света. Их ловят в солнечном ветре, у нейтронных звёзд и даже в межгалактической пустоте между галактиками. Но что разгоняет их там, где нет ни ударных волн, ни магнитных пересоединений?

Ребёнок на качелях: слишком сильный толчок — и он вылетает. Примерно так мощный свет вырывает электроны из атома. Казалось бы, чем сильнее толчок, тем вернее разрушение. Но в квантовом мире всё иначе: когда сила поля переходит некий порог, атом внезапно замирает. Его электронное облако перестаёт разлетаться и становится устойчивее.

Вселенная говорит на двух фундаментальных языках — гравитации и света. В обычных условиях они не смешиваются: гравитационные волны скользят сквозь материю, не оставляя следа, а фотоны пляшут в зеркальных лабиринтах.

Обычно изотопы разделяют, цепляясь за разницу в весе ядра. Она крошечная — как если бы сортировали песчинки, отличающиеся на одну сотую миллиметра. Новый метод смотрит не на вес, а на вращение ядра — его спин. Лазер бьёт по молекулам дважды с короткой паузой.

Садовый шланг бьёт тонкой мощной струёй. Если водить им по участку, можно полить грядку целиком, не заливая дорожки. Примерно так работает новый подход к лечению глубоких опухолей: вместо широкого потока излучения берут узкий пучок электронов, разогнанных почти до скорости света, и сканируют им опухоль, как струёй воды.

Лазер бьёт по мишени из тонких проволочек — и за десятки фемтосекунд (миллиардных долей миллиардной доли секунды) выбивает из них поток протонов. Эти протоны влетают в конвертер из лития и дейтерия, где рождаются нейтроны.

Возле чёрных дыр и нейтронных звёзд плазма бурлит, как вода в кипящем чайнике. Но в этом «чайнике» нет стенок — только магнитные поля, которые скручиваются и рвутся. В местах разрывов возникают тонкие слои, где магнитное поле пересоединяется, и частицы получают пинок, как сёрфер на волне.

Вода в чайнике закипает — и по кухне расходятся волны пара. В космосе похожий процесс идёт в плазме — газе, разогретом так сильно, что электроны отрываются от атомов. Вокруг чёрных дыр и нейтронных звёзд эта плазма не просто горячая: частицы в ней носятся почти со скоростью света.

Лазер бьёт по крошечной стеклянной решётке, и электроны, пролетая сквозь неё, разгоняются. Заглянуть внутрь невозможно, поэтому о происходящем судят по энергии электронов после ускорения — как по брызгам от камня судят о его форме. Учёные построили цифрового двойника: компьютерную модель, которая повторяет поведение настоящего ускорителя.

Лазерная вспышка длительностью 50 фемтосекунд — это как выстрел, который длится одну миллиардную долю секунды. За это время свет успевает пройти всего 15 микрометров — меньше толщины человеческого волоса. Но если такую вспышку пропустить через усилитель, она начинает растягиваться, как резиновая лента, и теряет свою остроту.

Алмаз — самый твёрдый природный материал, и обычно его обработка похожа на работу скульптора с отбойным молотком: грубо, с трещинами и сколами. Но для электроники нужна ювелирная точность, ведь алмаз отлично проводит тепло, выдерживает высокие температуры и может работать в квантовых приборах.

Мощный лазер бьёт по крошечной мишени — и та мгновенно превращается в облако раскалённого газа, плазмы. В этом облаке сами собой рождаются магнитные поля. Они, как невидимые руки, мешают теплу свободно уходить из горячего центра.

В глубине созвездия Орла спрятана туманность, похожая на раздувающийся пузырь. Её надувает крошечная звезда размером с город — пульсар, который делает несколько оборотов в секунду и теряет энергию вращения. Обычно такие пузыри светятся ровно настолько, насколько силён их пульсар. Но этот пузырь, получивший имя «Ускоритель Орла», оказался ярче, чем положено.

Внутри больших ускорителей частиц есть полые металлические камеры, где разгоняются пучки. Со временем на их стенках оседает нагар, как в старой кастрюле. Этот нагар мешает ускорителю работать на полную мощность. Чтобы вернуть ускорителю силу, в камеру запускают плазму — светящийся газ из аргона или неона с добавкой кислорода.

Современные источники рентгеновского света похожи на оркестр без дирижёра: электроны в пучке летят кто в лес, кто по дрова, и излучение получается смазанным. Новая идея — заставить электроны выстроиться ровными шеренгами с шагом в несколько нанометров. Тогда испускаемый ими свет становится когерентным, как лазерный луч.

Плазма — это газ, в котором электроны оторваны от атомов, и он проводит электричество. В космосе такой газ часто настолько разрежен, что частицы почти не сталкиваются, и его поведение описывают уравнениями движения каждой частицы. Компьютерный метод Particle-in-Cell (PIC) так и делает: следит за миллионами частиц и электрическими полями, которые они создают. Но космос не стоит на месте.

Лазерный импульс, бегущий сквозь плазму, подобен бегуну, прокладывающему себе дорогу в толпе. Он расталкивает электроны, оставляя за собой разреженный канал — как расступается толпа за спринтером. В этом канале гребень световой волны движется чуть быстрее, чем свет в вакууме, и именно эта скорость определяет, насколько эффективно импульс передаёт энергию частицам.

Лазер бьёт по мишени — и в камеру вылетает облако плазмы, разогнанное до сотен километров в секунду. Вокруг не пустота: камера заполнена разреженным газом, который играет роль космической среды. Плазма врезается в этот газ, как скоростной катер в стоячую воду, и начинает расталкивать его перед собой.

Короткий лазерный импульс бьёт в воздух — и на месте удара вспыхивает крошечная молния. Она живёт дольше, чем кажется: яркое свечение видно ещё полмиллисекунды, а слабое — почти двадцать миллисекунд. Всё это время внутри плазмы носятся свободные электроны, и учёные впервые точно измерили, сколько их и насколько они горячие.

Крошечная серебряная пылинка рождается в луче лазера и тут же начинает расти — быстрее, чем моргнуть глазом. Обычный микроскоп не успевает за такой скоростью, поэтому до сих пор никто не видел, как именно наночастица появляется и набирает размер. Теперь у учёных появился инструмент, который снимает это «кино» кадр за кадром.

Свет от обычной лампы — это хаос: фотоны разлетаются кто куда, без всякого порядка. Но если заставить множество атомов испускать свет одновременно и в такт, получается короткая мощная вспышка — как аплодисменты, которые из отдельных хлопков складываются в единый залп. Такое согласованное излучение называют сверхизлучением.

Пучок тяжёлых ионов в ускорителе похож на толпу людей, которые расталкивают друг друга локтями: чем больше народу, тем шире толпа. Заряженные частицы отталкиваются, и при токе выше нескольких микроампер пучок расползается, теряет форму. Для лёгких частиц это терпимо, но для тяжёлых, например ионов золота, проблема стоит остро: они летят медленно, и расталкивание успевает испортить пучок.