Ученые AWAKE создали подробную модель поведения электронного пучка в процессе кильватерного ускорения

04.12.2019

Кильватерное ускорение электронов в плазме – это метод ускорения частиц, идея которого возникла еще в 1970-х годах, а название появилось из-за аналогии со следом на поверхности воды, который остается за кормой идущего судна. Первоначально в качестве такого «судна», или драйвера, физики использовали пучок электронов или мощный лазерный импульс, но недавно нашли способ «запрячь» пучок протонов, который содержит в себе в тысячу раз больше энергии. В 2013 году в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН)  начал работу проект AWAKE (полное название — «Advanced proton-driven plasma WaKefield Acceleration Experiment»), основная задача которого – экспериментально подтвердить возможность использования такого метода ускорения электронов.

Вместе со специалистами Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) ученые из коллаборации AWAKE создали подробную трехмерную модель поведения пучка электронов во время эксперимента по кильватерному ускорению в плазме. Моделирование показало, что большая часть электронов, инжектируемых в плазменную секцию, теряется при проходе через границу плазмы – в результате значительно падает заряд ускоряемого пучка. По данным специалистов, стоимость одного такого расчета составляет не менее 220 тысяч евро. Результаты опубликованы в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion.

«У нас был определенный прогноз по количеству электронов, которые должны были ускориться при помощи кильватерной волны – 40% от первоначального количества частиц, запускаемых в плазму, однако в некоторых режимах мы получили значение в 300 раз меньше, чем планировали. До детектора в конце плазменной секции долетело только 0,1% от общего числа выпущенных электронов», — рассказывает теоретический координатор проекта AWAKE, главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, профессор НГУ, доктор физико-математических наук Константин Лотов.

«Грубо говоря, у нас есть труба с плазмой, и мы видим только то, что было на входе и то, что получается на выходе, а что же происходит внутри — не очень понятно. Решить эту проблему может трехмерное компьютерное моделирование различных процессов. Наши коллеги из Мюнхенского института имени Людвига и Максимилиана (нем. Ludvig-Maximilians—Universität München – LMU) построили подробную трехмерную модель эксперимента, в которой смогли учесть множество разных физических эффектов», — продолжает Лотов.