Возможен ли практически применимый кильватерный ускоритель?

...Большой адронный коллайдер до сих пор не нашел прямых свидетельств явлений за пределами Стандартной модели. Это заставляет физиков уже сейчас планировать новые ускорители, чтобы продвинуться еще глубже в познании микромира. К сожалению, эти ускорители будут очень большими, размером в десятки километров, и потому неизбежно очень дорогими. Например, в линейном электрон-позитронном коллайдере планируется ускорять частицы сильным электрическим полем на прямолинейной траектории. Это можно сделать с помощью стоячей электромагнитной волны в специальном металлическом сверхпроводящем резонаторе. Однако тут есть предел: электрическое поле сильнее пары десятков мегавольт на метр получить не удастся. Если мы хотим разогнать электроны до энергий 250 ГэВ, потребуется разность потенциалов в 250 гигавольт, а значит, придется строить ускорительный участок длиной как минимум 10 км для электронов и столько же — для позитронов...
...Прорывным решением проблемы быстрого ускорения электронов может стать принципиально иная идея — кильватерное ускорение в плазме. В этой схеме сверхсильное электрическое поле создается не в металлической структуре, которая всё равно его не выдержит, а в плазме, точнее, внутри маленького движущегося вперед пузырька плазменного колебания. Этот пузырек можно породить, запустив в плазму драйвер — сверхсильный лазерный импульс или компактный сгусток частиц. Драйвер возбуждает в плазме сильное поперечное колебание электронов, которое в фазе разрежения и выглядит как положительно заряженный пузырек с отрицательно заряженной задней стенкой (рис. 2). Электронный сгусток влетает в этот пузырек, располагается внутри него рядом с задней стенкой, в области подталкивающего вперед поля, и, словно оседлав волну, за короткое время ускоряется до больших энергий...
...Результат ускорения стабильно повторяется от выстрела к выстрелу. На рис. 7 показаны результаты почти двухсот «выстрелов», выполненные в течение двухчасового сеанса работы. Параметры процесса держались постоянными, и, как видно на рисунке, все горизонтальные полоски показали максимум интенсивности примерно на одинаковой энергии. Таким образом, процесс ускорения, несмотря на тонкие физические эффекты, воспроизводится прекрасно...
...Специалисты из AWAKE хорошо понимают, от каких параметров зависит максимальная энергия, достижимая в этой установке. Это, прежде всего, плотность плазмы: чем она выше, тем более компактными получаются плазменные пузыри и тем сильнее электрическое поле внутри. Во-вторых, оказалось, что даже небольшой, всего в несколько процентов, перепад плотности от начала к концу ячейки — тот самый, который стабилизирует пузыри, — заметно повышает энергию электронов на выходе. Перед тем как проводить эксперименты, физики, естественно, выполнили тщательное численное моделирование процесса ускорения, и их результаты вполне подтвердились экспериментальными данными.
Повышать энергию можно, в принципе, и дальше, но этому пока мешает другая трудность. Когда электронный сгусток влетает и попадает в область кильватерной волны, далеко не все электроны захватываются в плазменные пузыри. Даже для красивых картинок, приведенных на рис. 6 и 7, эффективность захвата составляла всего 0,1%. При повышении плотности, а значит, и энергии, эффективность лишь уменьшается: мелким плазменным пузырям труднее захватывать электроны. Но эта проблема не выглядит критичной. У физиков есть широкая свобода маневров в том, как запускать электронный сгусток: под каким углом, с какой задержкой и так далее. В будущем исследователи тщательно проверят зависимость эффективности захвата от всех этих параметров и подберут оптимальную конфигурацию.