Рентгеновский лазер на свободных электронах обладает достаточной светимостью, чтобы зафиксировать все стадии быстро протекающих реакций с фемтосекундной точностью. Появление такого инструмента в компактном исполнении окажет огромное влияние на развитие многих современных наук, включая молекулярную биологию.
Для создания настольного ускорителя с большей энергией пучка или компактного XFEL требуется решить практически один и тот же комплекс технических задач. Поэтому здесь одним выстрелом можно убить двух довольно крупных зайцев.
В установке, созданной под руководством профессора физики Майка Даунера (Mike Downer), генерация быстрых электронов происходит за счёт метода, известного как лазерно-плазменное ускорение.
В двух словах он сводится к созданию краткого, но интенсивного лазерного импульса, направленного в облако газа заданной плотности. Точно рассчитанной величиной импульса лазера газ ионизируется, переходя в состояние плазмы. При этом возникают неоднородности в её структуре: свободные электроны отделяются от ионного фона и ускоряются вдоль направления движения лазерного луча.
Авторы исследования поясняют этот процесс на примере аналогии с каплями воды. «Представьте, что на поверхность озера бросили моторную лодку с включённым двигателем, – пишет Даунер. – Сначала вода вспенится у винта и отдельные капли разгонятся до высоких скоростей. Затем пойдёт волна, увлекая за собой их большую часть. Дойдя до берега, они всё ещё будут обладать значительной энергией. Примерно это и происходит в нашей установке. Роль лодочного мотора выполняет лазер, а поверхность озера подобна газу, в котором импульс вызывает перечисленные изменения». Короткий лазерный импульс порождает в плазме волны плотности заряда. В этих кильватерных плазменных волнах и происходит ускорение электронов.
Метод лазерно-плазменного ускорения электронов был впервые предложен в конце семидесятых физиками Тосики Тадзимой и Джоном Доусоном. У нас это направление развивалось преимущественно в Институте физических проблем им. П.Л. Капицы Российской академии наук.
Первые опыты начались в конце восьмидесятых, но из-за ограничений лазерной техники того времени долго не удавалось преодолеть рубеж в 1 ГэВ даже на крупных и исключительно дорогих экспериментальных установках. Только спустя тридцать с лишним лет после первого описания метода его удалось воплотить в виде компактного ускорителя.
Группа из университета штата Техас в Остине использовала лазер петаваттного класса. Это позволило уменьшить требуемую плотность газа и на порядки уменьшить габариты всей системы. Ещё недавно такие лазеры были единичными, но сейчас уже производятся десятками в год и продаются многими компаниями, готовыми модифицировать их согласно требованиям заказчика.
Профессор Даунер считает, что его группе по силам увеличить мощность ускорителя в разы. Через пять лет коллектив учёных собирается представить модель с энергией пучка 10 ГэВ без существенного увеличения габаритов и даже планирует достичь рубежа в 20 ГэВ через десять лет, сохранив компактные размеры.
Вот уже месяц длится своеобразная археологическая экспедиция, организованная сотрудниками знаменитой европейской лаборатории ЦЕРН. Правильней, впрочем, будет назвать её киберархеологической, потому что ищут не окаменелости доисторических животных, а цифровой объект всего-то примерно четвертьвековой давности: веб-страничку, первую в истории Веб. Вы спросите: как можно было потерять такую реликвию? Да точно так же, как нынче ежесуточно мы теряем миллионы документов, хранящихся в Сети.
Предысторию знает каждый. В конце 80-х, работая над технологией, которая радикально облегчила бы обмен данными между несовместимыми компьютерными платформами и программными продуктами, Тим Бёрнерс-Ли формулирует концепцию «волшебной книги» — цифрового документа, который одинаково легко может быть прочитан и модифицирован с любого компьютера. Сюда замечательно вписалась и концепция гипертекста, вокруг которой в те годы уже шло кипение умов. Если верить легенде, начальство его инициативу в качестве полноценного проекта не утвердило, однако дало устное «добро» на продолжение работ в рабочее время. И год спустя родилась World Wide Web — по сути, надстройка над сетью Интернет.
