Ускорители электронов: для чего в НФЦМ создают лазерные установки высокой энергии

В Национальном центре физики и математики стартует сооружение мощного лазерного комплекса «Мультитера». С помощью установок класса миди- и мегасайенс ученые надеются достичь результатов, ранее недоступных физическим экспериментам. Некоторые параметры встречаются в природе разве что у нейтронных звезд. С подробностями — Андрей Савельев, профессор, заведующий кафедрой физики и руководитель магистерской программы «Экстремальные электромагнитные поля, релятивистская плазма и аттосекундная физика» в филиале МГУ в Сарове.

— Какие направления научной программы НЦФМ рассматриваются как ключевые?

— Расскажу о направлениях в области физики лазеров, которой я занимаюсь. Задачи, связанные с физикой взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, решаются в рамках четвертого направления научной программы НЦФМ «Физика высоких плотностей энергии». В ближайшее время начнется строительство здания под миди-сайенс-лабораторию «Мультитера», ядром которой будет 20-тераваттный фемтосекундный лазер. 20 ТВт — это пиковая мощность импульсов. Лазер фемтосекундный именно потому, что длительность его импульсов будет всего около 20 фемтосекунд (1 фс = 10⁻¹⁵ с). Этот инструмент позволит в ближайшее время начать практическую подготовку кадров для мегасайенс-установки XCELS и исследования физики экстремальных световых полей.

Запуск XCELS — это более отдаленное будущее, но не сказать о ней нельзя. На XCELS мы планируем достичь интенсивности и пиковых мощностей лазерного излучения, которых пока даже близко не удалось достичь нигде в мире. Сейчас идет разработка научной программы и базовых, начальных элементов, из которых будет состоять эта система. На ней планируется и ускорение электронов до тераэлектронвольт — показатели крупных коллайдеров, и «пробой вакуума», то есть рождение электрон-позитронных пар и гамма-всплесков. Потенциально установка решит и множество других задач, в том числе прикладных. Сейчас специалисты Института прикладной физики РАН начали работу над первыми прототипами отдельных составляющих XCELS.

— Будет ли развиваться в НЦФМ ядерная фотоника?

— Это относительно новая область науки, которой занимаются мои коллеги в рамках шестого направления научной программы НЦФМ «Ядерная и радиационная физика». Лазерщики и ядерные физики понимают ядерную фотонику немного по-разному. Мы воспринимаем ее как область науки, где с помощью лазерного излучения можно затронуть физику ядра: это и лазерное ускорение электронов и ионов, и генерация гамма-излучения, которое обеспечивает взаимодействие с ядрами атомов. Ядерным же физикам не важно, как сформирован источник частиц, воздействующих на ядро. Но конечная наша задача одна — изучение свойств ядер. С этой целью в НЦФМ будет создана еще одна лаборатория класса миди-сайенс — ядерной фотоники. Здесь планируется создание укорителя электронов до энергии 750 МэВ с накопительным кольцом, на котором будет точка взаимодействия с синхронизованным лазерным импульсом. Мы сможем получать уникальный по параметрам высокоинтенсивный узконаправленный пучок гамма-излучения с узким спектром и перестраиваемой энергией квантов. В зависимости от энергий электронов это будет диапазон от десятков килоэлектронвольтов до десятков мегаэлектронвольтов.

Второе важное направление по ядерной фотонике в центре — прямое ускорение электронов лазерным излучением для получения пучков высоких энергий с возможностью последующего рассеяния на этом пучке того же лазерного излучения. В полной мере эти задачи будут решаться уже на установке XCELS. В рамках этого направления у нас в планах стоят самые разные задачи: и исследование изомерных состояний, и получение пучков нейтронов, и многое другое.

При «Мультитере» будет лаборатория лазерного ускорения, в первую очередь электронов и ионов. Что касается XCELS, то на ней не менее 50 % программы исследований будут посвящены тематике ускорения электронов и ионов, возможно, и позитронов, в том числе получению рекордных энергий этих частиц. Для электронов — энергии в тераэлектронвольтах либо электронных зарядов в десятки и сотни нанокулонов при длительности банча, всплеска электронов, около 1 пикосекунды (1 пс = 10^-12 с). Конечно, пучки с такими рекордными зарядами не будут иметь рекордных энергий — «всего лишь» сотни мегаэлектронвольт, но подобный большой заряд крайне важен для решения целого ряда фундаментальных и прикладных задач.

— Каких выдающихся результатов достигли ученые в области сверхсильных световых полей в последнее время?

— Если говорить о генерации сверхсильных и экстремальных световых полей, то один из самых значительных результатов — получение пучков электронов с энергиями до 8 ГэВ на длине ускорения всего 20 см. Чтобы объяснить, насколько значим такой результат, отмечу: стандартные ускорители, придающие подобным частицам энергии в 8 ГэВ, имеют длину несколько километров.

Изучение и моделирование сверхсильных световых полей в перспективе откроет совершенно новые возможности. Речь идет о получении экстремальных световых полей, приближающихся к швингеровскому пределу, при достижении которого вакуум предположительно приобретает нелинейные свойства. В природе нечто подобное достигается в магнетарах — нейтронных звездах, которые делают как минимум несколько оборотов в секунду и имеют сильнейшие магнитные поля — до 10¹¹ Тл, пока недостижимые в земных условиях.

Сейчас исследовать поведение полей у швингеровского предела просто нечем. До появления достаточно мощных лабораторных установок, планируемых к созданию в НЦФМ, такой возможности не будет.

— Как лазерщики хотят получать экстремальные поля?

— Все задачи, связанные с экстремальными полями, мы планируем реализовывать в режиме релятивистской интенсивности — типичной для частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. То есть не только 10¹⁷, а вплоть до 10²⁵ Вт/см². Задачи релятивистского уровня у нас с самого начала поставлены во главу угла: это касается и 20-тераваттного лазера «Мультитера», и установки XCELS. Исходно технология, лежащая в основе получения экстремальных световых полей, называется «усиление чирпированных импульсов», CPA в английском варианте. Изобретение этой технологии удостоено Нобелевской премии по физике. XCELS будет создаваться с использованием одной из модификаций этой технологии — параметрического усиления чирпированных импульсов, OPCPA. Огромный, признанный в мире передовой опыт в этой области имеет Институт прикладной физики РАН. 

— А терагерцевые поля в НФЦМ будут изучать?

— При 20-тераваттном лазере «Мультитера» будет терагерцевая лаборатория. В ней ученые планируют создавать мощные терагерцевые поля и изучать их воздействие на вещество. В моей научной группе на физическом факультете МГУ мы разрабатываем подходы к получению мощных терагерцевых импульсов от плотной плазмы. Наша группа планирует реализовать эти идеи на установке «Мультитера», в дальнейшем, возможно, и на XCELS. Такие поля классифицируются как экстремальные, которые превышают, например, пороги «пробоя вещества» (полупроводников и т. д.) статическим полем. Интерес представляет поведение вещества в таких экстремальных и квазистатических электрических и магнитных полях. Если же мы говорим о самых больших полях, которые мы сможем получить на наших новых установках, то дело может дойти до разрушения структуры твердого тела и даже формирования плазмы с помощью терагерцевых полей. Не менее интересна физика этих процессов. Задачи такого объема не реализовались еще нигде в мире.

— Какие учебно-научные лаборатории будут созданы в НЦФМ?

— В филиале МГУ в Сарове уже работают две учебно-научные лаборатории — «Адаптивная оптика» и «Нелинейная оптика», но они выполняют в первую очередь образовательную функцию. В дальнейшем планируется создание еще нескольких лабораторий, основной задачей которых будет вовлечение студентов в передовые научные исследования. Эти лаборатории должны выдавать такую же высококлассную научную продукцию, как и другие подразделения НЦФМ, а также помогать в подготовке специалистов высочайшего класса с существенным опытом практической работы, прежде всего для подразделений НЦФМ, научных организаций «Росатома», РАН и др.