Физики разогнали лазером протоны до половины скорости света
Представьте: протон оседлал волну и скользит по ней, набирая скорость. Именно так можно описать принцип лазерного ускорения ионов — многообещающей альтернативы традиционным громоздким ускорителям.
Слабое место таких источников — сверхтонкая мишень для увеличения энергии ионов: лазерный преимпульс, предшествующий основной интенсивной вспышке, легко приводит ее в негодность. Эту проблему сумели решить в Осакском университете, о чем рассказали в журнале Progress of Theoretical and Experimental Physics.
Основой успеха физиков стал выбор графена для изготовления мишени. Один из самых перспективных на сегодня материалов, сочетающий предельная тонкость и прочность, выдержал облучение лазером.
«Используя сверхтонкие слои графена и относительно длинный лазерный импульс, мы можем ускорять протоны дольше и достигаем рекордной энергии 132 МэВ. Длительное ускорение способно поднять энергию протонов выше той, которую обычно дают более короткие лазерные импульсы», — объясняет инженер Минами Такуми, ведущий автор исследования.
Моделирование показало, что лазер порождал распространяющуюся электростатическую волну, которая шла сквозь плазму и создавала ускоряющее поле, несущее энергичные протоны вперед в течение нескольких пикосекунд.
Физиков-экспериментаторов сложно удивить величиной 132 МэВ, хотя это немало — почти половина скорости света. Но для лазерного ускорения длительными импульсами это рекорд. Впрочем, его еще надо было зафиксировать.
«Сложность не только в том, чтобы получить эти редкие высокоэнергетичные протоны, но и в том, чтобы надежно их опознать. Нужно перебрать миллионы снимков детектора в поисках следов, оставленных отдельными ионами, и отличить самые высокоэнергетичные протоны от фонового шума», — говорит профессор Курамицу Ясухиро, руководивший исследованием.
Рутинный труд по поиску сигналов протонов в данных детектора исследователи поручили сверточной нейросети. В одном из измерений высоких энергий сеть достигла точности 99,2%, что позволило подтвердить: есть рекорд!
В планах физиков — дальнейшее увеличение энергии протонов и более тяжелых ионов и усовершенствование детекторов. Когда-нибудь эти изыскания приведут к созданию дешевых и компактных лазерных ускорителей для науки и медицины, в том числе для протонной терапии рака и разработки мишеней термоядерных реакторов.
Китай запустил ускоритель для изучения ранней Вселенной и лечения рака
Физики преодолели важный рубеж на пути к настольным ускорителям частиц
