Zvětšit obrázek

Vlnovod pro urychlování svazků elektronů na gigaelektronvoltových energií. Kredit: Roy Kaltschmidt/ Berkeley Lab.

Není to tak dávno, co jsme na OSLU psali o laser-plasmových urychlovačích částic. Přezdívá se jim „tabletop“ čili stolní urychlovače. Stávající urychlovače jsou už tak dost fascinující mašiny na zázraky; monumentální, prošpikované moderními technologiemi, tak trochu obávané, což jim ještě dodává charakter mimozemských artefaktů, zapomenutých na Zemi nějakou stárnoucí civilizací. Když je ale řeč o urychlovačích, které jsou ohromně výkonné, ale zároveň téměř kapesní, tak je to naprostá fantazie. A tahle pohádková technologie se teď žene kupředu a láme rekordy.

Zvětšit obrázek

Wim Leemans. Kredit: Berkeley Lab.

Wim Leemans, šéf centra BELLA (BErkeley Lab Laser Accelerator) při Lawrence Berkeley National Laboratory a jeho kolegové použili místní petawattový laser, jeden z nejvýkonnějších laserů světa, a s jeho pomocí na laser-plasmovém urychlovači částic urychlili elektrony na rychlost, odpovídající 4,25 gigaelektronvoltům. Povedlo se jim to uvnitř 9 centimetrů dlouhé trubice s plasmou, což je docela síla. Leemans a spol. po přepočítání zjistili, že takové urychlení odpovídá tisíckrát většímu gradientu změny energie, než jakého dosahují tradiční urychlovače částic. A z jejich výzkumu, publikovaném v časopisu Physical Review Letters, je rázem světový rekord v urychlení na laser-plasmovém urychlovači částic.

Zvětšit obrázek

Petawattový laser centra BELLA. Kredit: Berkely Lab.

Tradiční gigantické urychlovače částic, jako je například Velký hadronový srážeč LHC v CERN, v němž částice létají tunelem o délce 27 kilometrů, urychlují elektrickými poli částice uvnitř kovové dutiny. Tuhle technologii omezuje hranice zhruba 100 megaelektronvoltů na metr dráhy urychlovače. Po jejím překročení se kov urychlovače začíná rozpadat. Laser-plasmové urychlovače na to jdou úplně jinak. Leemans a spol. v tomto experimentu stříleli laserem do trubice připomínající krátké brčko, která obsahovala plasmu. Laserový impuls oblak plasmy proděravěl a vyvolal přitom vlny, které lapají volné elektrony a urychlující je na vysoké hladiny energie. V takovém urychlovači jsou eletrony jako surfaři na plasmových vlnách.

Zvětšit obrázek

Tady to ještě dělají postaru. Kredit: CERN.

Laserový systém BELLA postavila pro Lawrence Berkeley National Laboratory společnost Thales Group. 20. července 2012 laser BELLA vypálil laserový puls, který trval 40 femtosekund a měl energii 42,2 joule, což odpovídá výkonu 1 petawattu. Po více než dvou letech vědci opět prověřili, co všechno laser BELLA dokáže. Úspěch experimentu tentokrát závisel nejen na ohromujícím výkonu, ale i na přesnosti a virtuózním ovládání. Leemans a spol. museli zaměřit mocný laserový paprsek do 14 metrů vzdáleného otvoru o průměru 500 mikronů. BELLA je naštěstí natolik stabilní, že to šlo zvládnout.

Při experimentu, kde se prohánějí tak vysoké energie, bylo nutné nejdříve hodně modelovat. Vědci využili služeb výpočetního centra National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) a na počítačových simulacích si před spuštěním mocného laseru nejprve důkladně prověřili nastavení klíčových přístrojů. V podobných případech mohou vést malé chyby k velice smutným koncům. Ani právě pokořený rekord určitě nebude definitivním. Leemansův tým prý už pokukuje po 10 gigaelektronvoltech. Klíčové podle nich bude perfektně sladit ovládání laseru a plazmy, do níž laser střílí. Když vědci v plazmě vytvoří co nejvhodnější tunel, odměnou jim pak budou ještě více energetické elektrony. Jestli to takhle půjde dál, tak vnoučata možná budou mít výkonný laser-plasmový urychlovač částic v garáži.

Video:  Laser wakefield acceleration. Kredit: Berkeley Lab.

Wim Leemans: Laser-based Particle Acceleration and the Path to TeV Physics. Kredit: Berkeley Lab.

Literatura

Berkeley Lab News 8. 12. 2014, Physical Review Letters 113: 245002, Wikipedia (Plasma acceleration).