Vědci překonali limit laser-plazmových urychlovačů pomocí techniky flying focus

Vědci dosáhli významného pokroku ve fyzice laser-plazmových urychlovačů, když se jim podařilo urychlit elektrony na energii více než dvojnásobnou oproti tomu, co dosud předpovídal tradiční teoretický limit. Výsledky studie byly publikovány v odborném časopise Nature Physics a představují posun v technologii, která by mohla v budoucnu nahradit dnešní obrovské a nákladné urychlovače částic kompaktnějšími zařízeními.

Laser-plazmové urychlovače fungují na principu, kdy intenzivní laserový puls prochází plazmatem a vytváří za sebou vlnu podobnou brázdě lodi na vodě. Tato takzvaná plazmová vlna dokáže nabité částice, konkrétně elektrony, urychlovat na extrémně vysoké energie na vzdálenosti řádově centimetrů až metrů, zatímco konvenční urychlovače k dosažení podobných výsledků potřebují kilometry dlouhé tunely.

Dosavadní výkon těchto zařízení však omezoval jev nazývaný dephasing. Jde o situaci, kdy urychlované elektrony postupně dosáhnou takové rychlosti, že se dostanou téměř na úroveň rychlosti světla a začnou předbíhat samotnou plazmovou vlnu, která je má urychlovat. Jakmile elektrony vlnu předběhnou, dostanou se do její nevhodné fáze, kde už nejsou dále urychlovány, ale naopak mohou být brzděny. Tento efekt dlouhodobě představoval jedno z klíčových fyzikálních omezení, která limitovala maximální dosažitelnou energii částic v laser-plazmových urychlovačích.

Tým výzkumníků se rozhodl tento problém řešit pomocí speciální techniky laserového pulsu označované jako „flying focus“. Na rozdíl od standardních laserových pulsů, kde je ohnisko pevně dané v prostoru a čase, technologie flying focus umožňuje kontrolovaně měnit polohu ohniska pulsu v čase tak, aby se pohybovalo podél směru šíření laseru specifickou, předem navrženou rychlostí. Díky tomu je možné ovlivnit i rychlost, jakou se pohybuje samotná plazmová vlna generovaná laserem v plazmatu.

Tento přístup výzkumníkům umožnil efektivně prodloužit dobu, po kterou zůstávají urychlované elektrony ve správné fázi plazmové vlny, tedy v oblasti, kde na ně vlna nadále přenáší energii. Tím se podařilo významně oddálit nástup dephasingu, který by jinak proces urychlování předčasně ukončil. Výsledkem byl nárůst energie urychlených elektronů na více než dvojnásobek hodnoty, kterou by za standardních podmínek předpovídal tradiční teoretický limit dephasingu.

Podle autorů studie tento výsledek ukazuje, že fyzikální bariéry, které byly dlouho považovány za pevně dané vlastnosti laser-plazmových urychlovačů, lze překonat chytrým návrhem laserového pulsu, aniž by bylo nutné zvyšovat celkový výkon laseru nebo měnit základní parametry plazmatu. Místo síly laseru tak roste jeho technická sofistikovanost.

Praktický význam objevu spočívá především v možnosti stavět kompaktnější a levnější urychlovače pro vědecký výzkum i případné budoucí aplikace, například ve fyzice vysokých energií, v medicíně při vývoji nových typů radioterapie nebo při generování intenzivního rentgenového záření pro zobrazovací účely. Laser-plazmové urychlovače jsou dlouhodobě vnímány jako perspektivní alternativa k tradičním urychlovačům, které vyžadují rozsáhlou infrastrukturu a vysoké investiční náklady.

Autoři studie zároveň upozorňují, že jde o výsledek dosažený v experimentálních podmínkách a že cesta k praktickému nasazení podobných technologií mimo výzkumné laboratoře bude vyžadovat další vývoj, včetně optimalizace stability paprsku elektronů a opakovatelnosti procesu. Technika flying focus podle nich nicméně otevírá nové možnosti, jak cíleně manipulovat s dynamikou plazmových vln a překonávat i další fyzikální limity, které dosud brzdily rozvoj kompaktních urychlovačů částic.

Výzkum byl publikován v Nature Physics, jednom z předních odborných časopisů v oblasti fyziky, což naznačuje, že jde o výsledek, který odborná komunita považuje za relevantní příspěvek k dalšímu rozvoji laserové a plazmové fyziky. Podrobnosti o konkrétním experimentálním uspořádání, použitém typu laseru a přesných dosažených hodnotách energie elektronů studie specifikuje, širší veřejnosti však byl zatím prezentován především klíčový závěr: možnost překonat dephasing pomocí flying focus pulsu a dosáhnout tak výrazně vyšších energií, než jaké byly dosud u laser-plazmových urychlovačů považovány za standardní hranici.