Российские физики обнаружили и исследовали эффект разрушения плазменной кильватерной волны при образовании электронного гало, который ограничивает время жизни плазменной волны и влияет на выбор оптимальных условий для ускорения в ней частиц. Исследование опубликовано в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion.
Одним из способов ускорения частиц является кильватерное ускорение электронов в плазме, когда ученые запускают первичный пучок частиц (драйвер), который создает волну и начинает расталкивать остальные частицы. Идея использовать такой подход появилась в 1970-х годах, а название ему дали по аналогии со следом на поверхности воды, который остается позади идущего судна. Изначально в качестве драйвера ученые использовали пучок электронов или мощный лазерный импульс. Но с 2009 года физики стали применять для этого пучок протонов, энергии в котором в тысячу раз больше. С 2013 года в CERN проводится эксперимент AWAKE, в рамках которого ученые пытаются экспериментально подтвердить возможность ускорять электроны таким образом. В 2018 году физикам удалось это сделать — они использовали протонный драйвер и смогли ускорить пучок электронов.
«Область исследования эксперимента AWAKE — ускорение частиц в плазме. Физики хотят научиться ускорять электроны до очень больших энергий, таких, какие бывают только у протонов. Самые быстрые электроны, когда-либо полученные человечеством, имели энергию 105 ГэВ, а плазменное кильватерное ускорение может увеличить ее раз в сто. Первые результаты эксперимента AWAKE уже получены — ученым удалось ускорить электроны с помощью волны, создаваемой сгустком протонов в плазме. В ближайшее время эволюционное развитие эксперимента будет заключаться в увеличении энергии электронов. Но в какой-то момент нужно будет продемонстрировать не только энергию, но и качество ускоренного пучка. Поэтому сейчас мы разбираемся с различными тонкими эффектами, чтобы полностью понять изучаемый процесс. В частности, сравниваем результаты того, что получено в эксперименте, с численным моделированием. Благодаря сравнению эксперимента и моделирования становятся видны эффекты, которые ранее были неизвестны и не учитывались», — рассказал теоретический координатор проекта AWAKE и один из авторов исследования, главный научный сотрудник Института ядерной физики СО РАН и профессор НГУ Константин Лотов.
Сложностью, которая сопровождает наблюдения за процессами в плазме в эксперименте AWAKE, является то, что внутрь секции, где находится ионизированный газ, нельзя поместить диагностические элементы. Дело в том, что они будут влиять на плотность плазмы, из-за чего ход эксперимента будет нарушен. Поэтому все диагностики ученые устанавливают на выходе из плазменной секции. Так физики узнают, что происходит внутри. Например, они получают данные о профиле протонного пучка, который создал в плазме волну. Другим вариантом, как исследователи могут узнать о происходящем в плазме, является численное моделирование.
«Сравнение численных кодов и экспериментальных данных в AWAKE проводилось уже много раз. Из этого сравнения можно было сделать вывод, что численное моделирование позволяет делать достаточно точные предположения о происходящем в эксперименте. При этом нередко возникает "дилемма": моделирование широкой области дает результат, более приближенный к реальному эксперименту, но оно может оказаться долгим и очень ресурсоемким. Моделирование же небольшой области будет более быстрым и менее ресурсоемким, но тогда можно "потерять" часть физических эффектов, которые, впрочем, могут быть некритичными», — пояснил один из авторов работы, аспирант ИЯФ СО РАН Роман Спицын.
Российские ученые из ИЯФ СО РАН сравнили экспериментальные данные поперечного профиля протонного пучка, который пролетел плазменную секцию, и результаты численного моделирования этого эксперимента в случае узкой области (моделируя исключительно плазму) и широкой области (моделируя также окружающий плазму неионизованный газ, который не влияет на процесс кильватерного ускорения). Во втором случае исследователи зафиксировали эффект разрушения плазменной кильватерной волны электронным гало, то есть областью отрицательного заряда, образующейся вокруг плазмы вылетевшими из нее электронами. В первом случае подобного не наблюдалось.
«При определенных параметрах эксперимента AWAKE часть электронов плазмы вылетает из нее, но потом снова притягивается образовавшимся в плазме избыточными положительным зарядом. Возвращаясь обратно, такие электроны пролетают плазменную волну, при этом ускоряясь или замедляясь, в зависимости от фазы волны, в которую они попадают. Ускоряясь, электроны забирают энергию из плазменной волны, а замедляясь, наоборот, возвращают. Таких электронов не так много, и поначалу считалось, что количество забираемой ими энергии при пролете сквозь плазму не так велико, чтобы это могло повлиять на образовавшуюся в плазме кильватерную волну. Мы же при моделировании “увидели” эффект, который заметно сокращал время жизни кильватерной волны. Оказалось, что сама плазменная волна работает как линза, которая отклоняет траектории возвращающихся электронов, “заставляя” их падать в области наибольшего ускоряющего поля. В результате волна отдает свою энергию не тем "хорошим" электронам, которые мы хотим ускорить, а другим, случайно пролетевшим мимо», — добавил Роман Спицын.
По словам ученых, обнаруженный эффект имеет большое значение как для экспериментальных, так и для теоретических работ в рамках AWAKE. «Он ограничивает время жизни плазменной кильватерной волны, а это критично для эксперимента. Кроме того, он важен и при численном моделировании, поскольку накладывает дополнительные ограничения на минимальную ширину области моделирования», — подчеркнул Спицын.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
