Pirmasis petavatų galios elektronų spindulys pasiruošęs ardyti materiją ir erdvę

Į mažytę sekundės atkarpą suspaudę lazerio šviesos paketą, fizikai gali sukurti superintensyvius impulsus, kurie, tegul vos akimirką, suteikia tiek galios, kiek 1 mln. atominių elektrinių. Tokiais petavatų galios lazeriais mokslininkai gali naujai manipuliuoti medžiagomis, imituoti sąlygas planetų viduje ir net skaidyti atomus. Dabar greitintuvų fizikams pavyko pasiekti tokį pat laimėjimą ir sukurti petavatinius impulsus iš elektronų, kurie taip pat gali būti įspūdingai panaudoti.

„Turime didžiausios srovės ir didžiausios galios elektronų pluoštus, kurie kada nors buvo sukurti, ir tai pasiekiame tiesiog sutalpindami didelį krūvio kiekį į labai trumpą pluošto trukmę“, – sako tyrimui vadovavęs Claudio Emma, SLAC nacionalinės greitintuvo laboratorijos fizikas, greitintojas. Žurnale Physical Review Letters paskelbtame straipsnyje aprašyti elektronų impulsai trunka vieną kvadrilijoninę sekundės dalį, tačiau jais teka 100 kiloamperų srovė.

„Tai labai įspūdingas eksperimentas, – sako Sergejus Nagaitsevas, Brookhaveno nacionalinės laboratorijos greitintuvo fizikas, nedalyvavęs šiame darbe. Oksfordo universiteto plazmos greitintuvų fizikas Ričardas D'Arčis (Richard D'Arcy) priduria: „Tai ne tik eksperimentinė kažko įdomaus demonstracija, bet ir pakopa kelyje į megaamperinius spindulius.“ Pasak jo, jei tai bus įmanoma, dar galingesni spinduliai galėtų pradėti atlikti nepaprastus veiksmus, pavyzdžiui, išplėšti daleles iš tuščios erdvės.

Didelės energijos elektronų palyginimas su lenktyniniais automobiliais padeda suprasti šio metodo prasmę, nors palyginimas nėra tikslus. Greitesnis ir energingesnis automobilis aplenks lėtesnį ir mažiau energingą, tačiau dalelių greitintuve didesnės energijos elektronai beveik nelenkia mažesnės energijos elektronų, nes visi jie juda beveik tokiu pačiu greičiu – maždaug 99,99 ％ šviesos greičiu. Tačiau, kaip ir lenktyninis automobilis posūkyje, elektronas magnetiniame lauke pasisuka. Lygiai taip pat, kaip greitesnis lenktyninis automobilis posūkyje turi važiuoti tiesesniu keliu, taip ir energingesnis elektronas magnetiniame lauke keliauja tiesiau.

Emma ir jo kolegos panaudojo abu šiuos efektus. Jie pradėjo nuo 1 milimetro ilgio elektronų pluoštų, sukurtų originalaus 62 metų senumo SLAC linijiniu greitintuvu. Greitintuve elektronai įgyja energiją, sklęsdami radijo bangomis, sklindančiomis pratisoje vakuuminėje kameroje. Kadangi elektronai, esantys pluošto priekyje, skrieja šiek tiek mažiau stačia bangos dalimi nei elektronai, esantys gale, jie turi mažiau energijos nei elektronai, esantys už jų, ir tai vadinama čirpimu.

Toks čirpavimas leidžia fizikams suspausti elektronų pluoštą. Jie tai atlieka, leisdami pluoštą per magnetų seriją standartiniu įrankiu, vadinamu šikeinu. Visai kaip šikeina automobilių lenktynėse, magnetai priverčia pluoštą greitai pasukti – į kairę, į dešinę, į dešinę, į kairę – prieš grįžtant į pradinę trajektoriją. Magnetai mažesnės energijos elektronus nukreipia labiau nei didesnės energijos elektronus, todėl mažesnės energijos elektronai, prieš grįždami į tiesiąją ir siaurąją juostą, padaro labiau ir toliau nukrypsta. Šis ilgesnis kelias leidžia didesnės energijos elektronams pasivyti juos ir suspausti krūvą iš priekio į galą.

Tačiau vien tik standartiniu šikeinu negalima sukurti itin trumpos grupės. Jei fizikai pasikliautų tik palyginti švelniu greitintuvo natūraliai sukuriamu čirpimu, posūkiai turėtų būti tokie staigūs, kad elektronai spinduliuotų energiją ir pluoštas išsisklaidytų, aiškina Ema.

Taigi SLAC tyrėjai šią schemą išplečia. Iš pirmosios greitintuvo sekcijos išėjęs elektronų pluoštas pereina per specialų magnetą, vadinamą unduliatoriumi. Magneto viduje tyrėjai priverčią pluoštą susidurti su mažos energijos lazerio šviesos impulsu. Unduliatorius privertė elektronus svyruoti į šonus, o tai savo ruožtu leido jiems mainytis energija su šviesa. Keisdami lazerio impulso formą, tyrėjai galėjo pridėti papildomą, dramatiškesnį čirpimą elektronų pluošto viduryje.

Tada mokslininkai perleido elektronus per dar tris greitintuvo segmentus, perpintus šikeinais, pakaitomis juos greitindami ir vėl suspausdami. Kai lazerio impulsas buvo kruopščiai suderintas su vėlesnėmis manipuliacijomis, dėl papildomo čirpimo krūvos viduryje atsirado masyvus vos 0,3 µm (mikrometro) ilgio elektronų impulsas.

Pakartotinis greitinimo ir suspaudimo ciklas „yra priežastis, kodėl jiems pavyko išlaikyti trumpą impulsą“, – sako Italijos nacionalinio branduolinės fizikos instituto greitintuvo fizikas Massimo Ferrario. „Priešingu atveju jį iš karto prarastumėte“, – sako jis, nes panašaus krūvio elektronų atstojamoji jėga jį išardytų.

Petavatų galios elektronų impulsus galima būtų plačiai panaudoti. Dideli įrenginiai, vadinamieji laisvųjų elektronų lazeriai, generuoja intensyvius rentgeno spindulių pluoštus, leidžiant elektronus ilga unduliatorių grandine. Šiuos įrenginius, įskaitant SLAC priklausantį Linac koherentinės šviesos šaltinį, būtų galima padaryti dar ryškesnius, per unduliatorius paleidžiant trumpesnius ir galingesnius elektronų pluoštus. Nagaitsev sako, kad stipresni lazeriai atvertų kelią, pavyzdžiui, tirti vykstančius cheminius procesus. „Tai lengvas grobis.“

Itin intensyvūs elektronų impulsai taip pat galėtų būti naudojami generuoti plazmą, kurią stebi astrofizikai, pavyzdžiui, materijos ir spinduliuotės čiurkšles, kurios beveik šviesos greičiu išsiveržia iš tam tikrų žvaigždžių sprogimų. Mokslininkams tereikia paleisti elektronų pluoštą į tinkamą taikinį. „Tai fantastiškas reliatyvistinis grąžtas“, – sako Ferrario. „Jo sąveika su materija gali būti labai įdomi“.

Superintensyvūs elektronų pluoštai kada nors gali net ištirti tuščios erdvės prigimtį. Jie sukuria nepaprastai intensyvų elektrinį lauką, todėl jei viena iš jų susidurtų su ultraintensyviu lazerio impulsu, kuriame taip pat yra didžiulis elektrinis laukas, erdvėje atsiskleistų neįtikėtinai stipri elektrinė poliarizacija, pažymi D'Arcy. Jei šis laukas pakankamai stiprus, jis turėtų pradėti iš vakuumo išplėšti dalelių ir antidalelių poras – šį reiškinį numato kvantinė fizika, bet kuris niekada nebuvo stebėtas. „Galite pasiekti dalelių fizikos sritis, kurios kitaip neprieinamos“, – sako Darsis.

Tai vis dar tolimas tikslas, tačiau tyrėjai gali jį pasiekti, jei pavyks elektronų impulsus sutrumpinti 10 kartų. Ema su kolegomis planuoja tai padaryti, kad papildomi virpesiai būtų dar ryškesni, lazerį pakeisdami sudėtingesne schema, apimančia plazmos ląstelę. „Sukūrėme 100 kiloamperų spindulius, dabar kitas žingsnis – pereiti prie megaamperų spindulių“.

Adrian Cho
www.science.org

doi: 10.1126/science.zvd98dl