Osakeste laserkiirendid saavutasid enneolematu võimsuse

Osakeste kiirendite rolli teaduse ja tehnoloogia arengus on raske üle hinnata. Viimatistest arengutest võiks ehk meenutada Higgsi bosoni avastamist. Aga vähemalt sama olulised on sünkrotronkiirguse allikad või vabaelektron-laserid – tänapäevaseid materjaliuuringuid ei ole ilma nende tööriistadeta võimalik ette kujutada.  Viimastel aastatel on tavapäraste osakeste kiirendite kõrval arendatud tehnoloogiat, kus osakesi kiirendab laseri impulss (laser wakefield acceleration). Nüüd on selles vallas saavutatud uusi tulemusi kui  koos kolleegidega LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory) laboratooriumist on suutnud kiirendada kõrge kvaliteediga elektronkiires elektronid vaid mõne sentimeetri jooksul energiani 4.2GeV, mis on sarnane tulemus, kui paljudes suurtes sünkrotronides.

Teaduse arenguks on tarvis järjest võimekamaid tööriistu. Paraku ei saa täna osakesi kiirendavate süsteemide võimsust (ehk siis seda, kui kiiresti kiirendid osakesi kiirendavad) enam oluliselt suurendada, nii et ainus võimalus osakeste lõppkiiruse suurendamiseks on pikemate kiirendite ehitamine. Aga kilomeetrite pikkuseid kiirendeid on liiga kallis ehitada isegi riikide vahelises koostöös.

Mismoodi siis täna osakesi kiirendatakse? Koolifüüsikast teame, et elektriväljas mõjub laetud osakesele jõud, mis on võrdeline elektrivälja tugevusega. Allpool on raadiosageduslikuks resonaatoriks (rf cavity) kutsutava kiirendi põhimõtet selgitav animatsioon. Seda uurides peaks olema arusaadav, kuidas ajas muutuv elektriväli saab laetud osakest aina kiiremini liikuma sundida (põhimõtteliselt niimoodi töötab ka CERN’i kiirendi esimene aste, LINAC2):

Põhimõtteline piirang selliste süsteemide juures on maksimaalne elektrivälja tugevus, mida on võimalik rakendada ilma, et tekiks läbilöök. Piiriks on ca 100 megavolti meetri kohta. Kui kiirendada osakesi laserimpulsiga võib see number olla mitusada gigavolti meetri kohta.

Mis on osakeste laserkiirendi?

Sammhaaval:

• Elektrivälja abil luuakse gaaslahendustorus plasma, st täielikult ioniseeritud gaas (vt joonis allpool);
• Laserimpulsside (selles töös 16J energiaga, 40 femtosekundi pikkused, maksimumvõimsusega 0,3 petavatti) elektriväli on elektronidele sama, mis väga kõrge laine lainelaudurile, see lükkab neid edasi;
• Kuna laserimpulss liigub praktiliselt valguse kiirusel, siis on ka süsteemist väljuvate elektronide kiirus valguse kiirusele lähedane.

Viimaste aastate laserkiirendite areng on saanud võimalikuks tänu lasersüsteemide arengule – uurijatel on kasutada järjest võimsamad ja paremad laserimpulsid. Aga uusimate laserite omamine ei ole loomulikult piisav eeldus läbimurde saavutamiseksl. Võrreldes varasemate eksperimentidega õnnestus Leeman’i töörühmal oluliselt paremini optimeerida kapillaaris toimuvat – saavutati märgatavalt pikem laserimpulsi ja elektronide interaktsiooni aeg, järelikult ka suurem lõppkiirus. Eriti oluline oli sealjuures plasma moodustamine juba enne laserimpulsi saabumist ning plasma parameetrid, mis võimaldaksid laserimpulsil selles moonutusteta ja õige kiirusega liikuda.

Kaugemas perspektiivis on niimoodi võimalik ehitada kiirendeid, mis suudavad kiirendada positrone kuni 2TeV energiani. Lähemas perspektiivis on võimalik röntgenlaserite loomine, mis mahuksid ülikoolide laboritesse. Tänaste selliste süsteemide pikkus on kuni kilomeeter.

On asjakohane mainida, et osakeste kiirendamine laserimpulssidega on tihedalt seotud ka TÜ Füüsika Instituudi füüsikalise optika laboratooriumi uurimistööga. Eesmärgiks on leida mooduseid, kuidas kiirendada laserimpulssidega osakesi ilma plasmakeskkonnata.

Allikas: http://physics.aps.org/articles/v7/125