Ускорители частиц, занимавшие десятки километров и требующие миллиардных вложений, могут вскоре уместиться в одном зале. Ученые из ведущих мировых лабораторий, включая Национальную ускорительную лабораторию США (SLAC), Институт Макса Планка (Германия) и Европейский центр ядерных исследований (CERN), делают ставку на технологию плазменного ускорения (wakefield acceleration), способную сократить размеры будущих коллайдеров в сотни раз.
В отличие от традиционных ускорителей, использующих электромагнитные резонаторы, где высокие поля вызывают искрение, плазменные установки создают волну в ионизированном газе, по которой электроны буквально «скользят» с растущей колоссальной скоростью. Эта волна создается мощным лазером или вторичным пучком частиц.
Потенциал технологии впечатляет: в эксперименте лаборатории Лоуренса Беркли, результаты которого опубликованы в журнале Physical Review Letters, электроны достигли энергии 10 млрд электронвольт (эВ) всего за 30 см — уровень, который ранее достигался на установках длиной в 27 км, как у БЭПК, предшественника Большого адронного коллайдера.
«Мы переходим от теоретических идей к инженерной реализации», — говорит Спенсер Гесснер из SLAC. В ближайшие четыре года ученые намерены выбрать наиболее «жизнеспособный» тип ускорителя и создать рабочий прототип к середине 2030-х.
Предстоит решить такие проблемы, как объединение ускорительных секций, стабилизацию пучка и особенно — ускорение позитронов, античастиц электронов, чувствительных к колебаниям в плазме. Тем не менее, по словам Патрика Мугли из Института Макса Планка, эта технология уже способна изменить подход к фундаментальной физике, делая установки дешевле и доступнее.
Метод интересен и за пределами физики частиц. Компактные ускорители могут применяться в медицине, материаловедении и биологии — например, в создании компактных источников рентгеновского излучения. Результаты последнего исследования, опубликованного в журнале Nature, показывают, что характеристики пучков, полученных с помощью wakefield acceleration, уже сравнимы с традиционными ускорителями.
Пока технология не готова заменить будущий «коллайдер Хиггса», но уже обсуждается как возможный вариант для его модернизации в 2050-х. Эксперты надеются, что ускорители на плазменных волнах смогут обеспечить энергии до 10 триллионов эВ и открыть путь к новым частицам и физике за пределами «стандартной модели».
