Последние новости
Главная / Наука / Установлен мировой рекорд по длительности непрерывной работы плазменного ускорителя частиц

Установлен мировой рекорд по длительности непрерывной работы плазменного ускорителя частиц

Установлен мировой рекорд по длительности непрерывной работы плазменного ускорителя частиц

Группа ученых и инженеров из германской исследовательской организации Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) достигла очень важного этапа на пути создания ускорителя частиц следующего поколения. Впервые созданный ими экспериментальный лазерно-плазменный ускоритель LUX beamline проработал непрерывно более суток, точнее, в течение 30 часов, генерируя лучи высокоэнергетических электронов. И теперь технология лазерно-плазменного ускорения, по мнению ученых, готова выйти из стен лабораторий в поле практического применения.

Ученые-физики надеются, что метод лазерно-плазменного ускорения станет основой нового поколения мощных и компактных ускорителей частиц. В этом методе луч лазерного света или пучок высокоэнергетических частиц создает плазменную волну во внутреннем объеме ускорителя, геометрия которого тщательно рассчитывается и приближается к идеальной. Плазма — это газ, в котором молекулы газа лишены части своих электронов, в ускорителе LUX в качестве этого газа используется чистый водород.

Импульсы лазерного света проходят сквозь газ в форме тонких энергетических дисков, которые буквально сдирают электроны с атомов водорода и «отметают» эти электроны в нужную сторону. Затем эти электроны ускоряются положительно заряженной плазменной волной, подобно тому, как серферы движутся на гребне морской волны.

Это явление позволяет плазменным ускорителям достигать скоростей и энергий разогнанных электронов в тысячи раз больших, чем это могут сделать самые мощные из существующих линейных или синхротронных ускорителей. Однако, для того, чтобы сделать плазменные ускорители ближе к практическому применению, ученым еще предстоит решить ряд сложных технических проблем, таких как недавно решенная проблема с длительностью непрерывной работы.

Во время рекордного по длительности периода работы ускорителя LUX ученые разгоняли более чем 100 тысяч электронных «пакетов» по одному за каждую секунду времени. Благодаря возможности точной настройки лазера и параметров создаваемой плазменной волны, характеристики выходного электронного луча могут изменяться в широком диапазоне и поддерживаться с высокой точностью. «Теперь нам точно известно то, что мы должны сделать для получения более качественного луча электронов» — пишут исследователи, — «Вскоре мы создадим новую технологию активной стабилизации лучей, которая позволит вывести новый ускоритель на более высокий качественный уровень».

Отметим, что во время рекордного периода работы ускорителя LUX ученые занимались испытаниями работы вакуумной системы, лазеров очень сложной системы управления всем этим. «В принципе, система могла продолжать работать и дальше. Но мы приняли решение остановить ее после 30 часов, так как за это время мы выяснили все нас интересующее» — пишут исследователи, — «После этого мы повторяли подобные запуски еще три раза, каждый раз уточняя некоторые моменты».

«Наша работа демонстрирует, что лазерно-плазменные ускорители являются хорошо управляемыми устройствами, позволяющими получать высококачественные лучи высокоэнергетических частиц» — подводят итог исследователи, — «И мы надеемся, что новые технологии, реализованные нами в конструкции ускорителя LUX, станут основой для создания ускорителей следующих поколений здесь, в DESY, и в других уголках земного шара».

Смотрите также

Ученые-физики, возможно, получили первые экспериментальные доказательства существования «темного бозона»

Ученые-физики, возможно, получили первые экспериментальные доказательства существования "темного бозона"

Две независимые группы ученых, принимающие участие в «охоте» на частицы таинственной темной материи, опубликовали недавно результаты своих исследований, которые вступают в достаточно сильное противоречие. Первая из упомянутых групп вообще не получила никаких достоверных результатов в отличие от второй группы. А в результатах, полученных второй группой, возможно, присутствуют первые экспериментальные доказательства существования «темных бозонов», что дает ученым все основания на продолжение поиска и исследований в данном направлении.

Темные бозоны уже некоторое время являются кандидатами на звание частиц темной материи, таинственной субстанции, на долю которой приходится большая часть от всей материи во Вселенной и которая силами своей гравитации удерживает такие громадные космические образования, как галактики и скопления галактик.

К сожалению, обнаружение «темных» бозонов в нашем «светлом» мире столь же сложно, как попытка услышать шепот на большом расстоянии во время шторма. Однако, физикам, вооруженным сверхчувствительными научными приборами, может вполне хватать и уровня «шепота», для них сейчас самым главным является постановка своего эксперимента в идеально подходящих для него условиях.

Две исследовательские группы, о которых речь шла немного выше, одна из Массачусетского технологического института (MIT), другая — из Орхусского университета в Дании, проводили очень схожие эксперименты. Ученые искали очень малые различия в положении электрона атома изотопа, который перескакивал между дискретными энергетическими уровнями. Если бы эти различия были найдены, это могло указать на возможность «толчка» со стороны темного бозона, который возник бы в результате взаимодействия между орбитальным электроном и определенным типом кварка, который входит в состав нейтронов ядра атома.

Первая группа в своих экспериментах использовала группу изотопов иттербия, а вторая — атомы кальция. Участники обеих групп выстроили полученные ими результаты в определенном порядке, и данные, полученные при помощи атомов кальция, выстроились в четкую линию, которая полностью подчинялась формулам из существующих теорий. Зато эксперимент с атомами иттербия дал весьма значительные статистические отклонения от линейного закона.

Отметим, что ученым еще очень рано открывать шампанское. С одной стороны, присутствие темного бозона может являться причиной наблюдаемых отклонений. Но, этими же причинами могут быть и другие, такие, как погрешности произведенных измерений и вычислений, тип использованной учеными коррекции, называемой квадратичным полевым сдвигом и т.п.

Вполне естественно, что сейчас еще никто не в состоянии объяснить, почему один из схожих экспериментов вообще не дал никаких результатов, а второй дал достаточно значительные отклонения от теории. Для поиска такого объяснения ученым потребуется больше данных, намного больше, чем было собрано в ходе этих экспериментов и других, связанных с поисками частиц темной материи.

И весьма вероятно, что новый 100-километровый коллайдер, сооружение которого планируется в Женеве, более чувствительное научное оборудование и новые «умные» способы поисков влияния на наш мир фактически не существующих сейчас частиц, помогут нам в будущем найти ответы на вопросы, возникшие в нынешнее время и в недалеком прошлом.

Ученые-физики, возможно, получили первые экспериментальные доказательства существования "темного бозона"

Две независимые группы ученых, принимающие участие в «охоте» на частицы таинственной темной материи, опубликовали недавно результаты своих исследований, которые вступают в достаточно сильное противоречие. Первая из упомянутых групп вообще не получила никаких достоверных результатов в отличие от второй группы. А в результатах, полученных второй группой, возможно, присутствуют первые экспериментальные доказательства существования «темных бозонов», что дает ученым все основания на продолжение поиска и исследований в данном направлении.

Темные бозоны уже некоторое время являются кандидатами на звание частиц темной материи, таинственной субстанции, на долю которой приходится большая часть от всей материи во Вселенной и которая силами своей гравитации удерживает такие громадные космические образования, как галактики и скопления галактик.

К сожалению, обнаружение «темных» бозонов в нашем «светлом» мире столь же сложно, как попытка услышать шепот на большом расстоянии во время шторма. Однако, физикам, вооруженным сверхчувствительными научными приборами, может вполне хватать и уровня «шепота», для них сейчас самым главным является постановка своего эксперимента в идеально подходящих для него условиях.

Две исследовательские группы, о которых речь шла немного выше, одна из Массачусетского технологического института (MIT), другая — из Орхусского университета в Дании, проводили очень схожие эксперименты. Ученые искали очень малые различия в положении электрона атома изотопа, который перескакивал между дискретными энергетическими уровнями. Если бы эти различия были найдены, это могло указать на возможность «толчка» со стороны темного бозона, который возник бы в результате взаимодействия между орбитальным электроном и определенным типом кварка, который входит в состав нейтронов ядра атома.

Первая группа в своих экспериментах использовала группу изотопов иттербия, а вторая — атомы кальция. Участники обеих групп выстроили полученные ими результаты в определенном порядке, и данные, полученные при помощи атомов кальция, выстроились в четкую линию, которая полностью подчинялась формулам из существующих теорий. Зато эксперимент с атомами иттербия дал весьма значительные статистические отклонения от линейного закона.

Отметим, что ученым еще очень рано открывать шампанское. С одной стороны, присутствие темного бозона может являться причиной наблюдаемых отклонений. Но, этими же причинами могут быть и другие, такие, как погрешности произведенных измерений и вычислений, тип использованной учеными коррекции, называемой квадратичным полевым сдвигом и т.п.

Вполне естественно, что сейчас еще никто не в состоянии объяснить, почему один из схожих экспериментов вообще не дал никаких результатов, а второй дал достаточно значительные отклонения от теории. Для поиска такого объяснения ученым потребуется больше данных, намного больше, чем было собрано в ходе этих экспериментов и других, связанных с поисками частиц темной материи.

И весьма вероятно, что новый 100-километровый коллайдер, сооружение которого планируется в Женеве, более чувствительное научное оборудование и новые «умные» способы поисков влияния на наш мир фактически не существующих сейчас частиц, помогут нам в будущем найти ответы на вопросы, возникшие в нынешнее время и в недалеком прошлом.

Linac 4 — новый мощный линейный ускоритель, который будет «кормить» протонами кольцо Большого Адронного Коллайдера

Linac 4 - новый мощный линейный ускоритель, который будет "кормить" протонами кольцо Большого Адронного Коллайдера

Почти после двух лет простоя, связанного с ремонтными работами и очередной модернизацией, Большой Адронный Коллайдер начинает подавать первые признаки своего «возвращения к жизни». Этими признаками стало включение нового мощного линейного ускорителя частиц Linac 4, который к настоящему моменту уже успел пройти ряд начальных тестов. Все эти тесты были направлены на проверку его возможности производить намного более высокоэнергетические лучи разогнанных частиц, чем это мог сделать его предшественник, ускоритель Linac 2, который находился в распоряжении Европейской организации ядерных исследований CERN последние 40 лет.

Напомним нашим читателям, что коллайдер был остановлен в декабре 2018 года с целью его глубокой модернизации, получившей название HL-LHC (High-Luminosity Large Hadron Collider). Когда коллайдер, являющийся самым большим и мощным ускорителем частиц в мире, будет выведен на полную мощность в 2026 году, он станет в семь раз мощнее, чем до последней модернизации. И за счет этого он сможет обеспечить ученым в десять раз большее количество данных, чем собиралось ранее за сопоставимые промежутки времени.

Как уже упоминалось выше, новый линейный ускоритель Linac 4 уже был полностью смонтирован и в течение последних нескольких недель проводились его первые тесты. Этот ускоритель является отправной точкой работы всего коллайдера в целом, ускоренные им протоны подаются в синхротронный ускоритель Proton Synchrotron (PS) Booster и оттуда дальше — в основное кольцо коллайдера. Энергия протонов, которые будут подаваться в ускоритель PS с ускорителя Linac 4, составит 160 МэВ, для сравнения, протоны на выходе ускорителя Linac 2 имели энергию порядка 50 МэВ. Ускоритель PS, используя более высокоэнергетические входящие лучи, сможет разогнать их уже до энергии в 2 ГэВ.

До середины августа этого года ускоритель Linac 4 вырабатывал только низкоэнергетические лучи, используя для их разгона только свою правую половину. 20 августа было произведено первое включение ускорителя, в котором была задействована его полная длина, и на выходе появились первые лучи максимальной мощности. Эти лучи были направлены в специальную ловушку, которая поглощает высокоэнергетические частицы, не производя потоков вторичного излучения.

Дальнейшие испытания ускорителя Linac 4 будут продолжаться еще несколько месяцев. В сентябре разогнанные лучи протонов уже будут посланы в сторону ускорителя PS через специальную линию «накачки». Но эти лучи также закончат свой путь внутри ловушки. Первый же луч, который будет уже подан в ускоритель PS, будет сгенерирован ускорителем Linac 4 7 декабря этого года. А первые лучи начнут циркулировать в кольце Большого Адронного Коллайдера с сентября 2021 года, на четыре месяца позже заранее запланированного срока, что связано с пандемией, вызванной вирусом COVID-19.

Linac 4 - новый мощный линейный ускоритель, который будет "кормить" протонами кольцо Большого Адронного Коллайдера

Почти после двух лет простоя, связанного с ремонтными работами и очередной модернизацией, Большой Адронный Коллайдер начинает подавать первые признаки своего «возвращения к жизни». Этими признаками стало включение нового мощного линейного ускорителя частиц Linac 4, который к настоящему моменту уже успел пройти ряд начальных тестов. Все эти тесты были направлены на проверку его возможности производить намного более высокоэнергетические лучи разогнанных частиц, чем это мог сделать его предшественник, ускоритель Linac 2, который находился в распоряжении Европейской организации ядерных исследований CERN последние 40 лет.

Напомним нашим читателям, что коллайдер был остановлен в декабре 2018 года с целью его глубокой модернизации, получившей название HL-LHC (High-Luminosity Large Hadron Collider). Когда коллайдер, являющийся самым большим и мощным ускорителем частиц в мире, будет выведен на полную мощность в 2026 году, он станет в семь раз мощнее, чем до последней модернизации. И за счет этого он сможет обеспечить ученым в десять раз большее количество данных, чем собиралось ранее за сопоставимые промежутки времени.

Как уже упоминалось выше, новый линейный ускоритель Linac 4 уже был полностью смонтирован и в течение последних нескольких недель проводились его первые тесты. Этот ускоритель является отправной точкой работы всего коллайдера в целом, ускоренные им протоны подаются в синхротронный ускоритель Proton Synchrotron (PS) Booster и оттуда дальше — в основное кольцо коллайдера. Энергия протонов, которые будут подаваться в ускоритель PS с ускорителя Linac 4, составит 160 МэВ, для сравнения, протоны на выходе ускорителя Linac 2 имели энергию порядка 50 МэВ. Ускоритель PS, используя более высокоэнергетические входящие лучи, сможет разогнать их уже до энергии в 2 ГэВ.

До середины августа этого года ускоритель Linac 4 вырабатывал только низкоэнергетические лучи, используя для их разгона только свою правую половину. 20 августа было произведено первое включение ускорителя, в котором была задействована его полная длина, и на выходе появились первые лучи максимальной мощности. Эти лучи были направлены в специальную ловушку, которая поглощает высокоэнергетические частицы, не производя потоков вторичного излучения.

Дальнейшие испытания ускорителя Linac 4 будут продолжаться еще несколько месяцев. В сентябре разогнанные лучи протонов уже будут посланы в сторону ускорителя PS через специальную линию «накачки». Но эти лучи также закончат свой путь внутри ловушки. Первый же луч, который будет уже подан в ускоритель PS, будет сгенерирован ускорителем Linac 4 7 декабря этого года. А первые лучи начнут циркулировать в кольце Большого Адронного Коллайдера с сентября 2021 года, на четыре месяца позже заранее запланированного срока, что связано с пандемией, вызванной вирусом COVID-19.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *