Коллайдер размером в стол

Гигантские ускорители частиц, подобные Большому адронному коллайдеру, являются одним из важнейших инструментов глобальной науки. В них все огромно – размер, цена и амбиции. Разгоняя частицы до скорости света, ученые постараются изучить основополагающие принципы устройства Вселенной. Но иногда для исследования частиц бывает достаточно чего-то более компактного, вроде настольного устроителя, созданного в Лаборатории Беркли.

Физик Вим Лиманс уверен, что ускоритель частиц – это такое же необходимое и повседневно использующееся устройство в лаборатории, как принтер или мини-центрифуга. Следуя его идее, группа британских и французских инженеров создала компактный ускоритель, занимающий всего один лабораторный стол.

Новинка, получившая название BELLA (Berkley Lab Laser Accelerator), имеет длину всего один метр, но по эффективности в своем классе задач может поспорить с любой стационарной установкой. Она появилась на свет в 2006 году, но потребовалось более трех лет, чтобы довести конструкцию до совершенства.

Читайте также "Звуковой сазер перещеголяет световой лазер"

Принцип работы BELLA кроется в способности частиц ускоряться при прохождении плазмы, возбуждаемой высокоэффективным лазером. Под воздействием мощного лазерного луча в ионизированном газе возникают «волны», по которым как бы скользят электроны.

В нынешнем виде BELLA позволяет разгонять частицы до 1 гигаэлектро-вольт на расстоянии всего 3,3 сантиметра. Для сравнения можно привести установку в Стэнфордском Центре линейного ускорителя (SLAC), которая возбуждает частицы до 50 гигаэлектрон-вольт на участке 3,2 километра.

Хотя основным назначением прибора являются исследования физики высоких энергий, технология возбуждения плазмы лазерным лучом найдет применение и в других областях. На основе BELLA можно построить лазер, испускающий сверхмощные фотоны. Такие частицы способны проникать сквозь практически любую поверхность, не разрушая ее.

Подобные лазерные установки найдут применение везде, где ученым требуется заглянуть глубоко внутрь объектов. Среди областей, нуждающихся в подобном инструменте, - физика материалов, химия, биология.

Высокоэнергетический лазер позволит исследователям внимательно рассмотреть процессы, проистекающие на наноуровне и подробнее ознакомиться с природой обнаруженных там физических феноменов.

Найдется дело для BELLA и в медицинских отраслях. После небольшой модификации из ускорителя получится новый тип рентгеновского аппарата, позволяющего получать качественные снимки с высокой степенью детализации. Лиманс и его коллеги работают над новой, более компактной версией, которая сможет разместиться в ограниченном пространстве медицинского кабинета.

Смотрите фоторепортажи в разделе "Наука и история"

Для работы BELLA необходим самый мощный из существующих в настоящее время тип лазеров – петаваттный, который выпускает заряд можностью 40 джоулей каждую секунду на протяжении 40 фемтосекунд. Это устройство достаточно дорого, потому ученые из Беркли уже спроектировали и начали собирать следующее поколение ускорителя, который требует меньших расходов энергии.

Новая инкарнация BELLA сможет разгонять частицы до энергии 10 гигаэлектрон-вольт, что существенно расширит область применения лазера. Кроме того, создатели ускорители уверены, что, объединив несколько подобных устройств в цепочку, реально добиться сложения вырабатываемых мощностей.

Такая конструкция будет аналогична созданному из обычных системных блоков суперкомпьютеру, способному решать сложные задачи распределенного вычисления. В планах физиков установка из 100 аналогов BELLA, что даст суммарную энергию частиц 1 тераэлектрон-вольт и превзойдет все существующие в мире коллайдеры, кроме БАК.

После того как команда Лиманса опубликовала окончательные отчеты о работе установки BELLA, ученые сообщества сразу нескольких стран заинтересовали разработками из Беркли. Высокоэнергетическая физика является одним из самых перспективных научных направлений современности. В ее распоряжении множество козырей, который в состоянии существенно изменить жизнь простых людей – достаточно вспомнить о технологиях безопасного и эффективного холодного термоядерного синтеза.

Читайте также в разделе "Наука и техника"