Создан лазерно-плазменный ускоритель нового поколения




Рис. 1. Схема двухступенчатого полностью оптического лазерно-плазменного ускорителя электронов длиной несколько миллиметров (описание см. в тексте). Изображение из статьи.

Сразу две группы экспериментаторов сконструировали новый двухступенчатый лазерно-плазменный ускоритель. Электронный сгусток создается и ускоряется до энергии около 1 ГэВ одним-единственным лазерным импульсом, причем длина тандема «инжектор плюс ускоритель» не превышает одного сантиметра.

Масштабы современных ускорителей элементарных частиц впечатляют. Длина туннеля Большого адронного коллайдера составляет 27 км, а проектируемый сейчас линейный электрон-позитронный коллайдер следующего поколения будет иметь около 50 километров в длину. Такие колоссальные для научных приборов размеры — не прихоть физиков; они возникают по той простой причине, что современные технологии не способны достаточно быстро ускорять элементарные частицы.

Вообще, ускоряют частицы сильным электрическим полем, причем, чем сильнее поле, тем эффективнее ускорение. В современных ускорителях используется электрическое поле стоячей радиоволны, которую накачивают и удерживают в специальных металлических сверхпроводящих резонаторах. Но у этой методики есть свой технологический предел: если радиоволна будет слишком мощной, по поверхности резонатора будут течь слишком большие токи, и материал таких токов просто не выдержит. Поэтому предел электрических полей в резонаторах на сегодня — примерно 20 мегавольт на метр (МВ/м), и подняться существенно выше этого значения вряд ли удастся. Это означает, что достичь энергии 500 ГэВ (планируемая энергия электронов на будущем линейном коллайдере) можно лишь на длине 25 км, из-за чего линейный коллайдер становится не только исключительно сложным, но и очень дорогим прибором.

Возможным решением этой проблемы может стать принципиально новая технология ускорения элементарных частиц. Такая технология существует — это так называемое кильватерное ускорение электронов в плазме, и оно уже даже было реализовано экспериментально. В этой схеме сверхсильное электрическое поле создается не в металлической структуре, а в маленьком движущемся вперед пузырьке плазмы, который порождается либо сверхсильным лазерным импульсом, либо компактным сгустком частиц. Электронный сгусток влетает в этот пузырек и, словно оседлав волну, за короткое время ускоряется до больших энергий (подробности см. в популярной статье Плазменные ускорители).

Эксперимент показал, что электрическое поле в таком плазменном ускорителе может в тысячи раз(!) превышать то, что достижимо в резонаторах. Например, в 2006 году было достигнуто ускорение электронов до энергии 1 ГэВ на участке длиной чуть более 3 см, что отвечает ускоряющему полю напряженностью 30 ГВ/м. Эти достижения открывают головокружительные перспективы — ведь с помощью технологии кильватерного ускорения тот же электрон-позитронный коллайдер на 500 ГэВ можно, казалось бы, уместить в сотню метров. Однако не всё так просто: есть целый ряд трудностей, которые потребуется преодолеть, прежде чем подобные проекты станут реальностью.

Во-первых, такая методика опробована только на участках длиной в сантиметры (впрочем, сейчас появляются предложения, как эту трудность преодолеть). Поэтому для достижения по-настоящему высоких энергий потребуется ускорять частицы, прогоняя их через множество последовательных «ступеней ускорителя». Однако такое комбинирование ускоряющих ячеек пока что не было реализовано. Во-вторых, ускоритель не должен слишком сильно размазывать сгусток ускоренных частиц ни в пространстве, ни по углам расхождения, ни по энергии.

В июле в журнале Physical Review Letters появились сразу две статьи, в которых сообщается о преодолении этих трудностей. Более конкретно, две группы исследователей независимо друг от друга сконструировали двухступенчатый полностью оптический лазерно-плазменный ускоритель электронов. Схема эксперимента показана на рис. 1. Для примера здесь изображена установка китайской группы физиков; схема эксперимента в статье американской группы была очень похожей.

Сердцем установки являются две соосно соединенных цилиндрических камеры миллиметровых размеров. Первая камера заполнена смесью гелия и кислорода; вторая — чистым гелием. Мощный сверхкороткий фокусированный лазерный импульс проходит последовательно через обе камеры, ионизируя газ и создавая плазменный пузырек сначала в первой, а затем во второй камере. Рабочим газом для создания плазмы и ускорения электронов является гелий, а кислород в первой камере нужен как источник электронов. Установка не зря называется «полностью оптическим ускорителем»: никаких внешних электронов в нее не поступает. Электроны порождаются в первой камере за счет ионизации атомов кислорода под действием лазерной вспышки, там же они предварительно разгоняются, затем впрыскиваются во вторую камеру, разгоняются там еще больше (за счет той же самой лазерной вспышки) и потом выходят наружу.

Таким образом, на длине меньше сантиметра физики умудрились создать целый ускорительный комплекс: инжектор с предварительным ускорителем, линия передачи, а затем основной ускоритель. Подчеркнем, что эти две секции ускорителя работают не независимо, а в едином тандеме: один-единственный сверхкороткий лазерный импульс, идущий сквозь обе камеры, выполняет за один проход всю работу: порождает нужные пузырьки плазмы, генерирует компактный электронный сгусток, а затем разгоняет его в двух камерах.

Опыты показали, что энергия электронного сгустка на выходе зависит как от длины ускоряющей секции, так и от мощности вспышки. Зависимость от мощности лазера оказалась не совсем простой: наибольшая энергия электронов на выходе (0,8 ГэВ) достигалась вовсе не при максимальной мощности вспышки. Это связано с тем, что сгустку электронов надо не просто попасть в плазменный пузырек, но и расположиться как можно ближе к его задней стенке — там электрическое поле сильнее всего.



Рис. 2. Энергетическое (по горизонтали) и угловое (по вертикали) распределение электронов после инжектора (вверху) и на выходе двухступенчатого ускорителя (внизу). Изображение из статьи.

Еще одним успехом этой двухступенчатой схемы ускорения стали замечательные характеристики сгустка электронов на выходе. На рис. 2 показано распределение электронов по энергии и по угловому расхождению сгустка; изображение вверху отвечает только одной стадии (инжектор без ускорителя), изображение внизу — полному тандему. В обоих случаях по горизонтали показана энергия электронов, по вертикали — угловое расхождение в миллирадианах (угол в один градус — это примерно 17 мрад). Картинки вверху и внизу отличаются разительно. После стадии инжектора электроны разгоняются примерно до 100 МэВ, но их энергия размазана в широком интервале. Однако после прохождение второй ступени ускорителя пучок не только приобретает энергию почти 0,5 ГэВ, но и становится намного компактнее, как по энергии, так и по углам.

Авторы обеих работ отмечают, что нынешнюю схему можно еще оптимизировать, достигнув при этом энергий 10 ГэВ. Таким образом, получение компактных многогэвных электронных сгустков в чисто оптическом и практически настольном эксперименте кажется делом ближайшего будущего. Конечно, такой лазерный ускоритель пока не может тягаться с нынешними большими коллайдерами по светимости (т. е. интенсивности пучков). Однако такому пучку, получаемому на очень компактной и относительно дешевой установке, найдется и множество других применений, как научных, так и прикладных. Напомним, что сейчас в мире существует примерно 20 тысяч ускорителей, из которых только около сотни заняты изучением физики микромира, а остальные используются в биомедицинских целях, в материаловедении, в системах безопасности и т. д. Поэтому любой новый тип компактного ускорителя частиц будет тут же взят на вооружение (см. например новость Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским).

Источники:
  1. J. S. Liu et al, All-Optical Cascaded Laser Wakefield Accelerator Using Ionization-Induced Injection // Phys. Rev. Lett. 107, 035001 (2011).
  2. B. B. Pollock et al, Demonstration of a Narrow Energy Spread, ~0.5GeV Electron Beam from a Two-Stage Laser Wakefield Accelerator // Phys. Rev. Lett. 107, 045001 (2011).


---------- Добавлено в 19:06 ---------- Предыдущее было в 19:06 ----------


2 сентября 2011

Ученые нашли планету, на которой возможна жизнь. Находится она на расстоянии всего 31 световых лет от Земли. Астрономы утверждают, что у нее есть все шансы на заселение в будущем живыми организмами. HD85512b вращается вокруг оранжевого карлика в созвездии Паруса, ее масса и расстояние до звезды максимально похожи на Земные. Такие характеристики дают значительное преимущество данной планете по сравнению с другими планетами, на подобии Земли, которые были обнаружины до этого.

Планеты, которые похожи на Землю ученые уже находили несколько раз, из них самые интересные это: Глизе 581 g и Глизе 581d. Глизе 581d – это пока неподтвержденная экзопланета, которая находиться на орбите красного карлика Глизе 581. Радиус данной планеты равняется 1.2 - 1.5 радиуса нашей планеты, а масса — от 3,1 до 4,3 масс Земли. Глизе 581 d более интересна, ее даже называю «супер-Землей», так как ее масса примерно в два раза больше чем у Земли. Ученые предполагают что в атмосфере Глизе 581 d вполне может содержаться достаточное количество СО2, на ее поверхности находяться океаны, а среднегодовая температура выше 0 градусов Цельсия. А компьютерное моделирование показало, что на этой планете вполне могла зародиться и сохраниться жизнь.

HD85512b был обнаружен Европейской южной обсерваторией с помощью высокоточного спектрографа, в Чили (данным инструментом также была обнаружена Глизе 581d). Данные показывают, что HD85512b имеет массу приблизительно в три с половиной раза большей, чем масса Земли. Ее расстояние до звезды может поддерживать температуры подходящие для содержания воды в жидком состоянии на этой планете. Размеры планеты предполагают, что в атмосфере этой планете содержится кислород, а не водород и гелий, которые доминируют в атмосферах гиганских планет.

Все эти факты делают HD85512b потенциальным кандидатом на поддержание и развитие жизни. Эта планета движется по круговой орбите, таким образом, предполагается, что у нее довольно устойчивый климат. Планетарная система данной планеты довольно старая, поэтому времени для зарождения и развития жизни у нее было достаточно.

Конечно же, нет никаких способов доказать предположения что на HD85512b есть атмосфера. Так как планета движется по круговой орбите, она может быть больше похожа на Венеру, чем на Землю. Но ученые утверждают, что 50 процентное покрытие облаков может возместить близость к ее звезде, и будет достаточным для зарождения жизни на планете.

В среднем на Земле содержится 60-процентный облачный покров, таким образом, идеи о HD85512b не выглядят настолько неправдоподобными. Таким образом эта планета будет хорошим стимулом человечеству для разработки и постройки космического аппарата со скоростью света для совершения 31-летней поездки к HD85512b.

---------- Добавлено в 19:06 ---------- Предыдущее было в 19:06 ----------


2 сентября 2011

Ученые нашли планету, на которой возможна жизнь. Находится она на расстоянии всего 31 световых лет от Земли. Астрономы утверждают, что у нее есть все шансы на заселение в будущем живыми организмами. HD85512b вращается вокруг оранжевого карлика в созвездии Паруса, ее масса и расстояние до звезды максимально похожи на Земные. Такие характеристики дают значительное преимущество данной планете по сравнению с другими планетами, на подобии Земли, которые были обнаружины до этого.

Планеты, которые похожи на Землю ученые уже находили несколько раз, из них самые интересные это: Глизе 581 g и Глизе 581d. Глизе 581d – это пока неподтвержденная экзопланета, которая находиться на орбите красного карлика Глизе 581. Радиус данной планеты равняется 1.2 - 1.5 радиуса нашей планеты, а масса — от 3,1 до 4,3 масс Земли. Глизе 581 d более интересна, ее даже называю «супер-Землей», так как ее масса примерно в два раза больше чем у Земли. Ученые предполагают что в атмосфере Глизе 581 d вполне может содержаться достаточное количество СО2, на ее поверхности находяться океаны, а среднегодовая температура выше 0 градусов Цельсия. А компьютерное моделирование показало, что на этой планете вполне могла зародиться и сохраниться жизнь.

HD85512b был обнаружен Европейской южной обсерваторией с помощью высокоточного спектрографа, в Чили (данным инструментом также была обнаружена Глизе 581d). Данные показывают, что HD85512b имеет массу приблизительно в три с половиной раза большей, чем масса Земли. Ее расстояние до звезды может поддерживать температуры подходящие для содержания воды в жидком состоянии на этой планете. Размеры планеты предполагают, что в атмосфере этой планете содержится кислород, а не водород и гелий, которые доминируют в атмосферах гиганских планет.

Все эти факты делают HD85512b потенциальным кандидатом на поддержание и развитие жизни. Эта планета движется по круговой орбите, таким образом, предполагается, что у нее довольно устойчивый климат. Планетарная система данной планеты довольно старая, поэтому времени для зарождения и развития жизни у нее было достаточно.

Конечно же, нет никаких способов доказать предположения что на HD85512b есть атмосфера. Так как планета движется по круговой орбите, она может быть больше похожа на Венеру, чем на Землю. Но ученые утверждают, что 50 процентное покрытие облаков может возместить близость к ее звезде, и будет достаточным для зарождения жизни на планете.

В среднем на Земле содержится 60-процентный облачный покров, таким образом, идеи о HD85512b не выглядят настолько неправдоподобными. Таким образом эта планета будет хорошим стимулом человечеству для разработки и постройки космического аппарата со скоростью света для совершения 31-летней поездки к HD85512b.

---------- Добавлено в 19:07 ---------- Предыдущее было в 19:06 ----------


15 сентября 2011








После двух переносов запуска из-за «нелетных» погодных условий с м. Канаверал исследовать Луну отправились запущенные НАСА на ракете Delta II зонды-близнецы проекта GRAIL.

GRAIL (GravityRecovery & InteriorLaboratory) является крупным научно-исследовательским проектом НАСА, цель которого – изучение лунных недр от коры до ядра. С помощью двух зондов-близнецов будут составлены гравитационные карты нашего спутника, на основании которых можно будет судить о составе и внутреннем строении Луны, а также получить хоть какое-то представление о ее тепловой эволюции (смене периодов нагрева и остывания), что позволит лучше понять ее происхождение и развитие. Кроме того, подробные гравитационные карты окажут будущим космическим станциям на Луне неоценимую помощь в навигации.

В ходе реализации проекта впервые будут решены две задачи. Так, до этого момента никто не осуществлял синхронный вывод на точную орбиту вокруг космического тела одновременно двух автоматических станций. Кроме того, американские школьники получат уникальную возможность: НАСА позволит им использовать специальные камеры, чтобы сфотографировать интересующие их участки поверхности Луны для последующего использования полученных снимков в своих исследования, научных или художественных работах. Надо отметить, что идея этого проекта родилась благодаря первой в Америке женщине-космонавту Салли Райд.

Зонды GRAIL запустила одна из самых надежных и успешных в космонавтике ракет-носителей Delta II, на счету которой 148 успешных запусков и всего две неудачи. Полет зондов к Луне продлится 3,5 месяца. Расчетное время работы зондов на орбите Луны составляет 82 дня, по истечении которых они должны упасть на ее поверхность.
_________________________________________________________________________________________________________________________

82 дня работы зондов GRAIL на окололунной орбите обойдутся NASA почти в полмиллиарда долларов. За эту сумму в нашем распоряжении должна оказаться самая детальная трехмерная карта гравитационного поля нашего спутника, а вместе с ней – новые данные о его составе, строении и прошлом. «То, что мы надеемся получить от миссии – это картина внутренних областей Луны, - говорит одна из участниц проекта GRAIL Мария Зубер (Maria Zuber), - Это может дать целостный взгляд на ее происхождение и эволюцию, а также на жизнь других твердых планет внутренней Солнечной системы».

Работа миссии включает использование пары идентичных зондов, Grail-A и Grail-B, которые по довольно длинной, но экономичной с точки зрения необходимого топлива, траектории, примерно к новому году прибудут на орбиту Луны и начнут работу, оставаясь в 55 км над ней. Два аппарата будет разделять расстояние от 121 до 362 км, и они будут, облетая спутник, непрерывно обмениваться коротковолновыми сигналами.

Радары позволят зондам самым точным образом оценивать расстояние, разделяющее их. По мере того, как Grail-A и Grail-B будут облетать Луну, даже едва заметные неоднородности ее гравитационного поля будут влиять на это расстояние. И после необходимой обработки данные об изменениях в дистанции между аппаратами превратятся в самую детальную в истории карту гравитационного поля Луны.

Такая карта совершенно необходима для аккуратного планирования будущих миссий к Луне и, конечно, для ее освоения – в том числе и возведения здесь обитаемых или необитаемых постоянных баз. Но интересно другое: дело в том, что гравитационное поле Луны – пожалуй, одно из самых «хитрых» во всей Солнечной системе.

Если вы возьмете отвес и начнете обход нашего спутника, вы заметите, что в отдельных участках он отклоняется от вертикали, причем кое-где – на величину до 0,3О! В этих участках ваш собственный вес (вес средних размеров астронавта со стандартной амуницией вес на Луне эквивалентен 22,7 кг) заметно увеличится (в данном случае, на 113 г). Считается, что аномалии эти вызваны скрывающимися под поверхностью «концентрациями массы», или сокращенно масконами. Однако что конкретно они собой представляют, неясно до сих пор. Это могут быть отложения тяжелых элементов, толщи плотных осадочных пород – или заполненные плотной магмой ударные кратеры…

В пользу последней идеи говорит и тот факт, что масконы гораздо чаще встречаются на обратной стороне Луны, как это показали предварительные исследования японской миссии Kaguya/SELENE, о которых мы писали в заметке «Карта аномалий». Впрочем, это далеко не единственная особенность обратной стороны, и отличия ее от видимой просто поражают. Читайте: «Полная Луна».

Кстати, попутно всей этой научной работе зонды, несущие на борту и фотоаппараты, будут присылать снимки Луны. Это второстепенная, или даже третьестепенная задача миссии, которая реализуется в рамках американского образовательного проекта для школьников MoonKam.





---------- Добавлено в 19:07 ---------- Предыдущее было в 19:07 ----------


15 сентября 2011








После двух переносов запуска из-за «нелетных» погодных условий с м. Канаверал исследовать Луну отправились запущенные НАСА на ракете Delta II зонды-близнецы проекта GRAIL.

GRAIL (GravityRecovery & InteriorLaboratory) является крупным научно-исследовательским проектом НАСА, цель которого – изучение лунных недр от коры до ядра. С помощью двух зондов-близнецов будут составлены гравитационные карты нашего спутника, на основании которых можно будет судить о составе и внутреннем строении Луны, а также получить хоть какое-то представление о ее тепловой эволюции (смене периодов нагрева и остывания), что позволит лучше понять ее происхождение и развитие. Кроме того, подробные гравитационные карты окажут будущим космическим станциям на Луне неоценимую помощь в навигации.

В ходе реализации проекта впервые будут решены две задачи. Так, до этого момента никто не осуществлял синхронный вывод на точную орбиту вокруг космического тела одновременно двух автоматических станций. Кроме того, американские школьники получат уникальную возможность: НАСА позволит им использовать специальные камеры, чтобы сфотографировать интересующие их участки поверхности Луны для последующего использования полученных снимков в своих исследования, научных или художественных работах. Надо отметить, что идея этого проекта родилась благодаря первой в Америке женщине-космонавту Салли Райд.

Зонды GRAIL запустила одна из самых надежных и успешных в космонавтике ракет-носителей Delta II, на счету которой 148 успешных запусков и всего две неудачи. Полет зондов к Луне продлится 3,5 месяца. Расчетное время работы зондов на орбите Луны составляет 82 дня, по истечении которых они должны упасть на ее поверхность.
_________________________________________________________________________________________________________________________

82 дня работы зондов GRAIL на окололунной орбите обойдутся NASA почти в полмиллиарда долларов. За эту сумму в нашем распоряжении должна оказаться самая детальная трехмерная карта гравитационного поля нашего спутника, а вместе с ней – новые данные о его составе, строении и прошлом. «То, что мы надеемся получить от миссии – это картина внутренних областей Луны, - говорит одна из участниц проекта GRAIL Мария Зубер (Maria Zuber), - Это может дать целостный взгляд на ее происхождение и эволюцию, а также на жизнь других твердых планет внутренней Солнечной системы».

Работа миссии включает использование пары идентичных зондов, Grail-A и Grail-B, которые по довольно длинной, но экономичной с точки зрения необходимого топлива, траектории, примерно к новому году прибудут на орбиту Луны и начнут работу, оставаясь в 55 км над ней. Два аппарата будет разделять расстояние от 121 до 362 км, и они будут, облетая спутник, непрерывно обмениваться коротковолновыми сигналами.

Радары позволят зондам самым точным образом оценивать расстояние, разделяющее их. По мере того, как Grail-A и Grail-B будут облетать Луну, даже едва заметные неоднородности ее гравитационного поля будут влиять на это расстояние. И после необходимой обработки данные об изменениях в дистанции между аппаратами превратятся в самую детальную в истории карту гравитационного поля Луны.

Такая карта совершенно необходима для аккуратного планирования будущих миссий к Луне и, конечно, для ее освоения – в том числе и возведения здесь обитаемых или необитаемых постоянных баз. Но интересно другое: дело в том, что гравитационное поле Луны – пожалуй, одно из самых «хитрых» во всей Солнечной системе.

Если вы возьмете отвес и начнете обход нашего спутника, вы заметите, что в отдельных участках он отклоняется от вертикали, причем кое-где – на величину до 0,3О! В этих участках ваш собственный вес (вес средних размеров астронавта со стандартной амуницией вес на Луне эквивалентен 22,7 кг) заметно увеличится (в данном случае, на 113 г). Считается, что аномалии эти вызваны скрывающимися под поверхностью «концентрациями массы», или сокращенно масконами. Однако что конкретно они собой представляют, неясно до сих пор. Это могут быть отложения тяжелых элементов, толщи плотных осадочных пород – или заполненные плотной магмой ударные кратеры…

В пользу последней идеи говорит и тот факт, что масконы гораздо чаще встречаются на обратной стороне Луны, как это показали предварительные исследования японской миссии Kaguya/SELENE, о которых мы писали в заметке «Карта аномалий». Впрочем, это далеко не единственная особенность обратной стороны, и отличия ее от видимой просто поражают. Читайте: «Полная Луна».

Кстати, попутно всей этой научной работе зонды, несущие на борту и фотоаппараты, будут присылать снимки Луны. Это второстепенная, или даже третьестепенная задача миссии, которая реализуется в рамках американского образовательного проекта для школьников MoonKam.