Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), входящие в коллаборацию AWAKE (Advanced proton-driven plasma WaKefield Acceleration Experiment) Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН), обнаружили и исследовали эффект разрушения плазменной кильватерной волны при образовании электронного гало. Этот эффект ограничивает время жизни плазменной волны и влияет на выбор оптимальных условий для ускорения в ней частиц. Результаты опубликованы в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion, а также были представлены на собрании коллаборации AWAKE и на конкурсе молодых ученых ИЯФ СО РАН. Исследованное явление важно как для объяснения результатов эксперимента, так и для численного моделирования будущих плазменных ускорителей.
Кильватерное ускорение электронов в плазме – это метод ускорения частиц, идея которого возникла еще в 1970-х г., а название появилось из-за аналогии со следом на поверхности воды, который остается позади идущего судна. Первоначально в качестве драйвера, который создает в плазме волну, физики использовали пучок электронов или мощный лазерный импульс, но с 2009 г. стали использовать для этого пучок протонов, который содержит в себе в тысячу раз больше энергии. В 2013 г. в ЦЕРН начал работу эксперимент AWAKE, основная задача которого состоит в экспериментальном подтверждении самой возможности использования такого метода ускорения электронов. В 2018 г. ученым удалось ускорить пучок электронов в плазме при помощи протонного драйвера.
«Область исследования эксперимента AWAKE – ускорение частиц в плазме. Физики хотят научиться ускорять электроны до очень больших энергий, таких, какие бывают только у протонов, – рассказывает теоретический координатор проекта AWAKE, главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, профессор НГУ, доктор физико-математических наук Константин Лотов. – Самые быстрые электроны, когда-либо полученные человечеством, имели энергию 105 ГэВ, а плазменное кильватерное ускорение может увеличить ее раз в сто. Первые результаты эксперимента AWAKE уже получены – ученым удалось ускорить электроны с помощью волны, создаваемой сгустком протонов в плазме. В ближайшее время эволюционное развитие эксперимента будет заключаться в увеличении энергии электронов. Но в какой-то момент нужно будет продемонстрировать не только энергию, но и качество ускоренного пучка. Поэтому сейчас мы разбираемся с различными тонкими эффектами, чтобы полностью понять изучаемый процесс. В частности, сравниваем результаты того, что получено в эксперименте, с численным моделированием. Благодаря сравнению эксперимента и моделирования становятся видны эффекты, которые ранее были не известны и не учитывались.
Наблюдения за любыми процессами в плазме в эксперименте AWAKE усложняются тем, что внутрь секции, где находится ионизированный газ, нельзя поместить диагностические элементы – они будут влиять на плотность плазмы и нарушать ход эксперимента. Поэтому все диагностики устанавливаются на выходе из плазменной секции – таким образом ученые получают данные о происходящем внутри, например, информацию о профиле протонного пучка, который создал в плазме волну. Еще один способ разобраться в том, что происходит в плазме, – численное моделирование. Численные коды, используемые теоретиками ИЯФ СО РАН, позволяют быстро анализировать большое число параметров.
«Сравнение численных кодов и экспериментальных данных в AWAKE проводилось уже много раз. Из этого сравнения можно было сделать вывод, что численное моделирование позволяет делать достаточно точные предположения о происходящем в эксперименте, – пояснил аспирант ИЯФ СО РАН Роман Спицын. – При этом нередко возникает «дилемма»: моделирование широкой области дает результат более приближенный к реальному эксперименту, но оно может оказаться долгим и очень ресурсоемким. Моделирование же небольшой области будет более быстрым и менее ресурсоемким, но тогда можно «потерять» часть физических эффектов, которые, впрочем, могут быть некритичными».
Специалисты ИЯФ СО РАН сравнили экспериментальные данные поперечного профиля протонного пучка, пролетевшего плазменную секцию, с результатами численного моделирования этого эксперимента в случае узкой области (моделируя только плазму) и широкой области (охватывая еще и окружающий плазму неионизованный газ, который не влияет на процесс кильватерного ускорения). Моделируя ситуацию в широкой области, ученые увидели эффект разрушения плазменной кильватерной волны электронным гало (областью отрицательного заряда, образующейся вокруг плазмы вылетевшими из нее электронами). В случае узкого окна этот эффект не проявлялся.
«При определенных параметрах эксперимента AWAKE часть электронов плазмы вылетает из нее, но потом снова притягивается образовавшимся в плазме избыточным положительным зарядом. Возвращаясь обратно, такие электроны пролетают плазменную волну, при этом ускоряясь или замедляясь, в зависимости от фазы волны, в которую они попадают. Ускоряясь, электроны забирают энергию из плазменной волны, а замедляясь, наоборот, возвращают. Таких электронов не так много, и поначалу считалось, что количество забираемой ими энергии при пролете сквозь плазму не так велико, чтобы это могло повлиять на образовавшуюся в плазме кильватерную волну, – добавил Роман Спицын. – Мы же при моделировании «увидели» эффект, который заметно сокращал время жизни кильватерной волны. Оказалось, что сама плазменная волна работает как линза, которая отклоняет траектории возвращающихся электронов, «заставляя» их падать в области наибольшего ускоряющего поля. В результате волна отдает свою энергию не тем «хорошим» электронам, которые мы хотим ускорить, а другим, случайно пролетевшим мимо».
По словам Романа Спицына, наблюдаемый эффект важен как для экспериментальных, так и теоретических работ в рамках AWAKE. «Он ограничивает время жизни плазменной кильватерной волны, а это критично для эксперимента. Кроме того, он важен и при численном моделировании, поскольку накладывает дополнительные ограничения на минимальную ширину области моделирования», – добавил специалист.
Результаты по обнаружению и изучению эффекта разрушения плазменной кильватерной волны при образовании электронного гало были представлены на собрании коллаборации AWAKE (ЦЕРН, дистанционно, 2020) и на конкурсе молодых ученых ИЯФ СО РАН (Новосибирск, дистанционно, 2020), а также опубликованы в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion.
Иллюстрация: Траектории электронов гало в плазменной волне вблизи оси в окне моделирования, которое летит направо со скоростью света, соответственно, электроны гало двигаются справа налево. Плазменная волна визуально представлена потенциалом, и для электронов (отрицательно заряженных частиц) синие области являются потенциальными "горбами", а красные - потенциальными "ямами", а ускорение или замедление происходит на "склонах". Изменение энергии электронов представлено цветом траектории (красный - ускорение, синий - замедление). Видно, как плазменная волна отклоняет траектории электронов так, чтобы они попадали преимущественно в ускоряющие области волны и, наоборот, отклонялись от замедляющих областей. Такое движение сильно напоминает поведение лучей в оптических линзах. Роман Спицын.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ИЯФ СО РАН
