Протоны на эскалаторе: как микросопла выжимают из лазера рекордные энергии
Раньше для этого нужен был целый ускоритель, теперь — кусочек метала с отверстиями и мощный лазер.
Твердый водородный стержень в алюминиевом микросопле фокусирует поток плазмы для эффективного ускорения протонов. Источник: Masakatsu Murakami
Протонные пучки с энергией в гигаэлектронвольты (ГэВ) — раньше их можно было получить только на огромных ускорителях — теперь, возможно, будут создавать в компактных установках.
Исследователи из Университета Осаки совершили прорыв.
Результаты опубликованы Scientific Reports.
Команда профессора Масакацу Мураками придумала новый метод — ускорение в микросоплах (MNA). Они разработали микроструктуру с крошечными соплами, облучили ее сверхмощными лазерными импульсами и с помощью сложных расчетов показали, что так можно получать протонные пучки с энергией выше 1 ГэВ.
Раньше лазерные методы на плоских мишенях не давали больше 100 МэВ.
Секрет в том, что микросопла создают внутри мишени мощное электрическое поле, которое разгоняет протоны ступенчато, как на эскалаторе. Это не только увеличивает энергию, но и делает пучок стабильным и однородным.
Это открывает путь к компактным и эффективным ускорителям, — говорит профессор Мураками. — Метод может изменить многое: от термоядерного синтеза до лечения рака и экспериментов по физике плазмы.
Что это даст
- Энергетика — более эффективный розжиг термоядерных реакций.
- Медицина — компактные установки для точечной лучевой терапии.
- Наука — моделирование экстремальных условий, например, в нейтронных звездах.
Расчеты проводили на суперкомпьютере SQUID. Это первое теоретическое доказательство, что микроструктуры могут разгонять протоны до ГэВ без гигантских ускорителей.
Этот метод может сделать высокоэнергетические протонные пучки доступными для небольших лабораторий. Сейчас такие энергии требуют циклотронов или линейных ускорителей — дорогих и громоздких. Лазерное ускорение дешевле, проще в масштабировании и может интегрироваться в существующие системы.
В медицине это означает более точную протонную терапию — опухоли можно будет разрушать с ювелирной точностью, не задевая здоровые ткани. В энергетике — шаг к управляемому термоядерному синтезу, где протонные пучки могут поджигать плазму. Для науки — возможность изучать экстремальные состояния материи без постройки коллайдеров за миллиарды долларов.
Пока это только расчеты. Реальные эксперименты могут выявить проблемы: например, сложность изготовления идеальных микроструктур или нестабильность пучков при масштабировании. Кроме того, сверхмощные лазеры сами по себе — не самое дешевое оборудование.
Ранее ученые сообщили, что лазер может стать основой протонной терапии.
