Електронен импулс, който е 6 000 пъти по-мощен от мълнията: новият рекорд на физиците
Как са съумели да компресират времето до една квадрилионна част от секундата?
Физици от лабораторията SLAC в Менло Парк сложиха нов връх в региона на ускорителните технологии. Те съумяха да основат поток от електрони с невиждани стойности на тока и пиковата мощ. Резултатите от проучването са оповестени в списание Physical Review Letters.
Досега мощните лазери оставаха главен инструмент за редица научни опити – от разединение на атомите до моделиране на изискванията навътре в планетите. Сега учените разполагат с нов инструмент: електронни лъчи, достигащи сходна мощ, откриват кардинално нови благоприятни условия за проучвания.
Основният принцип на оборудването наподобява елементарен: би трябвало да се вмести оптимален електрически заряд за минимално време. На процедура екипът на SLAC съумява да реализира ток от 100 килоампера, с дълготрайност единствено една квадрилионна част от секундата. За съпоставяне, типичният домакински контакт подава ток от към 16 ампера, до момента в който мълнията основава ток от към 30 килоампера (хиляди ампера).
Ключовият детайл на опита е пръстеновидният ускорител, който прилича спортна писта за електрони. Вътре в оборудването частиците се форсират от мощни магнити във вакуумна камера, където се „ плъзгат “ по радиовълните като сърфист на гребена на вълната. Изследователите са ускорили електроните до скорост, която е 99% от скоростта на светлината – това е към 297 000 километра в секунда.
При завоите на трасето електроните се принуждават да се отклоняват от правия път, което ги кара да се забавят и да губят сила. За да решат този проблем, физиците са формирали електронен лъч с дължина от един милиметър и са го насочили по по-пряк път. Това дава опция на частиците да заобикалят завоите с по-малки разноски.
Когато се движат по такава траектория, електроните в предната част на лъча се оказват на по-полегат сектор от радиовълната. В резултат на това те също по този начин губят повече сила, до момента в който заобикалят завоя – събитие, което физиците назовават „ чирп “. След това последователността от магнити принуждава лъча да направи поредност от съмнения: първо наляво, след това надясно, след това още веднъж наляво, преди да се върне на главния път.
Магнитното поле работи по друг метод на електроните според от тяхната сила. Частиците с по-ниска сила се отклоняват по-силно и са принудени да изминат по-дълъг път. Това разрешава на по-бързите електрони да настигнат по-бавните, което води до компресиране на целия вързоп. Допълнителен магнит на пътя на частиците кара част от силата им да се трансформира в светлина, което усилва разликата в силата сред предната и задната част на лъча.
Инженерите са проектирали ускорителя по подобен метод, че електронният подтик да може да направи доста обороти по кръговата траектория. На всеки кръг той става по-кратък като дълготрайност, само че по-мощен по силата на въздействието си. На последния стадий от опита физиците са постигнали изумителен резултат: дължината на лъча е била единствено 0,3 микрометра – това е сравнимо с дължината на вълната на виолетовата светлина и 200 пъти по-малко от дебелината на човешкия косъм.
Още по-изненадващо е, че екипът се е научил да управлява формата и плътността на потока частици с оптималната акуратност. Това става допустимо посредством прецизна конфигурация на магнитните полета и тъкмо пресмятане на траекторията на частиците. Всеки детайл от инсталацията – от вакуумната камера до магнитната система – работи в строго избран режим, осигурявайки нужните условия за образуване на свръхмощен подтик.
Създадената технология ще откри приложение в разнообразни области на науката. С нейна помощ учените ще могат да изследват бързите химични реакции, наблюдавайки придвижването на електроните сред атомите. Свръхмощните електронни лъчи ще разрешат основаването на нови типове плазма – четвъртото агрегатно положение на материята, в което атомите губят електроните си. Освен това опитите с сходни лъчи ще оказват помощ за по-доброто схващане на природата на вакуума – пространство, което съгласно квантовата доктрина е изпълнено с мистериозни виртуални частици, които непрекъснато се появяват и изчезват.
