Тысячи лазеров, объединенных в единый массив, пиковая мощность излучения которого будет в десятки раз больше, чем мощность всех электростанций мира, и лягут в основу компактных ускорителей элементарных частиц. Эти установки можно будет использовать повсеместно, а полученные ускоренные частицы будут использоваться для лечения рака, переработки ядерных отходов и многих других полезных прикладных задач – такова идея авторов новой технологии, описанной в статье в журнале Nature Photonics.
Ускорители частиц, подобные Большому адронному коллайдеру, нужны не только для изучения того, что происходит в отдельных атомах и целой Вселенной, и не только для открытия бозона Хиггса. Облучение раковых опухолей протонами придумали более полувека назад, этот метод имеет преимущество над обычной лучевой терапией, поскольку позволяет точно уничтожать опухоли, не повреждая окружающие здоровые ткани. Этот вид терапии до сих пор остается экзотикой, потому что может производиться только в клинике, привязанной к ускорителю, а их сегодня в мире всего около десятка.
Кроме того, с помощью энергичных протонов можно превращать радиоактивные изотопы с периодом полураспада в сотни тысяч лет в короткоживущие вещества, неопасные для живых организмов, и это решило бы проблему захоронения ядерных отходов. Однако для этого также нужно иметь под боком ускоритель.
Обычный ускоритель частиц, как, например, Большой адронный коллайдер, – это громоздкое сооружение, которое занимает несколько квадратных километров и стоит десятки миллиардов долларов. Уменьшить размеры ускорителей и снизить их стоимость, не меняя принцип работы, невозможно. Частицы в кольцевых ускорителях двигаются по окружностям за счет воздействия на них магнитных полей от гигантских электромагнитов. Чтобы уменьшить размер окружности движения частиц, необходимо увеличить магнитное поле, а это невозможно: в современных ускорителях и так используются самые сильные из возможных магниты.
Прорывной идеей, решающей эту проблему, могло бы стать использование совершенно нового способа ускорять заряженные частицы с помощью давления мощного лазерного излучения на тонкую фольгу или пленку. Авторы работы предлагают использовать для этого систему из 100 тысяч волоконных лазеров.
Ускорение протонов сверхмощным лазерным излучением – это относительно новое направление в науке, первые эксперименты были проведены чуть более 10 лет назад. Принцип ускорения достаточно прост. Еще в конце XIX века российский ученый Петр Лебедев показал, что свет, падая на пластинку, оказывает на нее давление и может привести ее в движение. Однако мощность света, излучаемого современными лазерными системами, на много порядков превосходит мощность источников, использованных выдающимся русским физиком. При облучении тонкой фольги мощный лазер оказывает на нее давление порядка миллиарда атмосфер. Частицы фольги испытывают огромные ускорения, приобретая на дистанции в доли миллиметра энергию, сравнимую с энергией, которую достигла бы частица в традиционном ускорителе на дистанции в несколько километров.
Применяемые для ускорения частиц лазеры, конечно, сильно отличаются от привычных нам лазерных указок, уровней или дальномеров. В среднем за секунду они способны испускать столько же энергии, сколько и миллионы обычных указок, взятых вместе. Более того, можно создать лазер, который излучает в течение очень короткого времени, триллионной доли секунды, очень много энергии. Называемые лазерами ультракоротких импульсов, такие устройства достигают пиковой мощности, которая в десятки раз больше мощности всех электростанций, работающих в мире.
Важным преимуществом лазерных технологий перед традиционными ускорителями является их компактность и относительно малая стоимость. Типичный лазер, применяющийся для ускорения протонов, занимает помещение размером с большую комнату. Потенциально это означает, что такое устройство может быть доступно, например, больницам в крупных городах.
Волоконные лазеры сделаны из обыкновенного оптоволокна, по которому в квартиры подается интернет. Отдельно взятый лазер обладает небольшой мощностью, но если объединить и синхронизировать сто тысяч волоконных лазеров, можно получить искомую сверхмощность.
Чтобы воплотить задуманное в жизнь, ученым предстоит преодолеть немало трудностей: например, научиться точно синхронизировать столько лазеров. Однако оно того стоит, ведь это поможет решить множество прикладных задач. Возможно, уже через 10 или 20 лет привычные рентгеновские аппараты будут выброшены на помойку, а их место займут новые сверкающие комплексы на основе оптоволоконных технологий. Проблема отходов атомной энергетики будет решена, а физики, изучающие элементарные частицы, получат принципиально новый инструмент, в тысячи раз превышающий по уровню энергии Большой адронный коллайдер.
Ускорители частиц, подобные Большому адронному коллайдеру, нужны не только для изучения того, что происходит в отдельных атомах и целой Вселенной, и не только для открытия бозона Хиггса. Облучение раковых опухолей протонами придумали более полувека назад, этот метод имеет преимущество над обычной лучевой терапией, поскольку позволяет точно уничтожать опухоли, не повреждая окружающие здоровые ткани. Этот вид терапии до сих пор остается экзотикой, потому что может производиться только в клинике, привязанной к ускорителю, а их сегодня в мире всего около десятка.
Кроме того, с помощью энергичных протонов можно превращать радиоактивные изотопы с периодом полураспада в сотни тысяч лет в короткоживущие вещества, неопасные для живых организмов, и это решило бы проблему захоронения ядерных отходов. Однако для этого также нужно иметь под боком ускоритель.
Обычный ускоритель частиц, как, например, Большой адронный коллайдер, – это громоздкое сооружение, которое занимает несколько квадратных километров и стоит десятки миллиардов долларов. Уменьшить размеры ускорителей и снизить их стоимость, не меняя принцип работы, невозможно. Частицы в кольцевых ускорителях двигаются по окружностям за счет воздействия на них магнитных полей от гигантских электромагнитов. Чтобы уменьшить размер окружности движения частиц, необходимо увеличить магнитное поле, а это невозможно: в современных ускорителях и так используются самые сильные из возможных магниты.
Прорывной идеей, решающей эту проблему, могло бы стать использование совершенно нового способа ускорять заряженные частицы с помощью давления мощного лазерного излучения на тонкую фольгу или пленку. Авторы работы предлагают использовать для этого систему из 100 тысяч волоконных лазеров.
Ускорение протонов сверхмощным лазерным излучением – это относительно новое направление в науке, первые эксперименты были проведены чуть более 10 лет назад. Принцип ускорения достаточно прост. Еще в конце XIX века российский ученый Петр Лебедев показал, что свет, падая на пластинку, оказывает на нее давление и может привести ее в движение. Однако мощность света, излучаемого современными лазерными системами, на много порядков превосходит мощность источников, использованных выдающимся русским физиком. При облучении тонкой фольги мощный лазер оказывает на нее давление порядка миллиарда атмосфер. Частицы фольги испытывают огромные ускорения, приобретая на дистанции в доли миллиметра энергию, сравнимую с энергией, которую достигла бы частица в традиционном ускорителе на дистанции в несколько километров.
Применяемые для ускорения частиц лазеры, конечно, сильно отличаются от привычных нам лазерных указок, уровней или дальномеров. В среднем за секунду они способны испускать столько же энергии, сколько и миллионы обычных указок, взятых вместе. Более того, можно создать лазер, который излучает в течение очень короткого времени, триллионной доли секунды, очень много энергии. Называемые лазерами ультракоротких импульсов, такие устройства достигают пиковой мощности, которая в десятки раз больше мощности всех электростанций, работающих в мире.
Важным преимуществом лазерных технологий перед традиционными ускорителями является их компактность и относительно малая стоимость. Типичный лазер, применяющийся для ускорения протонов, занимает помещение размером с большую комнату. Потенциально это означает, что такое устройство может быть доступно, например, больницам в крупных городах.
Волоконные лазеры сделаны из обыкновенного оптоволокна, по которому в квартиры подается интернет. Отдельно взятый лазер обладает небольшой мощностью, но если объединить и синхронизировать сто тысяч волоконных лазеров, можно получить искомую сверхмощность.
Чтобы воплотить задуманное в жизнь, ученым предстоит преодолеть немало трудностей: например, научиться точно синхронизировать столько лазеров. Однако оно того стоит, ведь это поможет решить множество прикладных задач. Возможно, уже через 10 или 20 лет привычные рентгеновские аппараты будут выброшены на помойку, а их место займут новые сверкающие комплексы на основе оптоволоконных технологий. Проблема отходов атомной энергетики будет решена, а физики, изучающие элементарные частицы, получат принципиально новый инструмент, в тысячи раз превышающий по уровню энергии Большой адронный коллайдер.
