Když vědci Velkého hadronového srážeče v CERNu chtěli urychlit částice natolik, aby mohli vystopovat Higgsův boson, museli vyždímat každičký centimetr z jeho 27 kilometrů podzemních tunelů. Co kdyby jim na to ale stačil urychlovač o rozměrech fotbalového hřiště a možná i menší?
Není to šílenství vyvolané zběsile urychlovanými částicemi, ale poměrně reálný příslib do budoucna. Tohle by dokázaly laser-plasmové urychlovače, které namísto vysokoenergetických rádiových vln používají ke zvýšení energie urychlovaných elektronů na krátkých vzdálenostech lasery a plasmu. Vědci se už dlouho snaží takové zařízení postavit a nijak zvlášť se jim to nedařilo. Podle nové teoretické studie by to ale mělo být snadnější, než jsme si doteď mysleli.
Mají ji na svědomí Wim Leemans, šéf centra BELLA (BErkeley Lab Laser Accelerator) při Lawrence Berkeley National Laboratory a jeho kolegové. Jestli mají pravdu, tak se jim povede významně snížit náklady na stavbu obřích urychlovačů částic, jako je Velký hadronový srážeč i náklady na aplikace technologie urychlovačů v každodenním životě.
Laser-plazmové urychlování funguje tak, že urychlovač vystřelí intenzivní laserový paprsek do plazmy, shluku volných elektronů a iontů. To má podobný efekt, jako když rychlý člun vyrazí na klidnou vodní hladinu. Za takovým člunem i za paprskem plazmového urychlovače se vytvoří brázda (anglicky wake). Když je taková brázda dost silná, může se na ní svézt surfař. Anebo urychlované částice. Laserové impulzy urychlovače vytvoří v plazmě brázdu zvlněné koncentrace elektronů a podélného elektrického pole. Říká se tomu brázdové pole (wakefield).
V plazmových urychlovačích vznikají gigantická elektrická pole, která jsou sto až tisíckrát silnější, než elektrická pole v běžných urychlovačích. Proto jsou plazmové urychlovače tak úchvatné. Například, urychlovač SLAC National Accelerator Laboratory ve Stanfordu potřebuje přes 3 kilometry délky, aby dostal elektrony na 50 GeV. Leemansův experimentální laser-plasmový urychlovač zvládne 1 GeV na pár centimetrech.
Háček je v tom, že k vytvoření brázdového pole potřebujete doopravdy hodně výkonný laser. V centru BELLA mají petawattový laser o rozměrech 10 krát 10 metrů, který dovede vypálit nesmírně energetický paprsek trvající 40 femtosekund. A potom musí celou jednu sekundu znovu nabíjet. I tak je prý tenhle laser nejrychlejší ze všech petawattových laserů světa. Vybudování rychlejšího petawattového laseru bude ohromnou výzvou soudobému inženýrství. Leemans a spol. proto navrhují, že by namísto jednoho extrémního laseru složili dohromady výstřely mnoha méně energetických laserů, které se oproti těm petawattovým nabíjejí mnohem rychleji. Podle všeho nás čeká ještě hodně práce, ale na obzoru už můžeme tušit podivuhodné wakefieldové urychlovače pro lov exotických částic i pro řadu zajímavých aplikací.
Laser Wakefield Acceleration LWFA of electrons. Kredit: Taylor Ratliff.
Wim Leemans: Laser-based Particle Acceleration and the Path to TeV Physics... Kredit: SPIE Photonics West 2013.
Literatura
American Institute of Physics News 27. 5. 2014, Physics of Plasmas 21: 056706 (2014), Wikipedia (Plasma acceleration).