Лучевая лихорадка
Сегодня на самых «крутых» лазерах (а приоритет пока за США) достигается мощность чуть больше одного петаватта (ПВт). Немного отстает саровский ядерный центр со своей установкой «Фемта», а нижегородский лазер PEARL, о котором мы рассказывали в позапрошлом выпуске, «выдает» всего полпетаватта. Но это пока. Сегодня в Институте прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) делают апгрейт этого аппарата - в том числе и в рамках мегагранта. Уже на будущий год PEARL должны довести до 10 ПВт – и нижегородский лазер, таким образом, станет самым мощным в мире. Вряд ли надолго: в Англии, Румынии, Венгрии и Чехии уже запущены проекты создания установок со сходными параметрами.
Вместе с тем, только нашим ученым пришла в голову идея соорудить несколько аппаратов по 15 ПВт каждый и направить все эти сверхмощные лучи в одну точку.
Началось все с того, что несколько лет назад Правительство РФ запланировало создание нескольких передовых научных установок разного профиля. В каждую будет вложено много денег, и от каждой ожидается серьезный эффект. Одну из таких установок – лазерную – решено строить в Нижнем Новгороде. В качестве организатора работ выступает ИПФ РАН.
Проект класса «мега-сайенс» «Международный центр исследования экстремальных световых полей» (ЦИЭС, по-английски XCELS) превосходит по смелости научной и инженерной мысли все имеющиеся сегодня в мире лазерные начинания. «Сердцем» этого центра станет лазер мощностью в 200 ПВт.
Из досье “МК“
Параметры установки XCELS
Мощность - 200 ПВт (1 ПВт = 10 в 15-й степени ватт)
Энергия - 5 килоджоулей
Длительность импульса - 25 фемтосекунд (1 фемтосекунда = 10 в минус 15-й степени секунд)
Мишень будет под землей
Что же произойдет с мишенью, когда по ней дадут залп лучами небывалой интенсивности? Само собой, она немедленно превратится в плазму – здесь ничего выдающегося нет, это уже происходит на сегодняшних установках. Но плазма эта под воздействием лазера будет «выбрасывать» потоки до предела ускоренных частиц (электронов и протонов), и такие выбросы будут сопровождаться мощнейшим рентгеновским и даже гамма-излучениями. Нижегородские физики не устают напоминать, что никакой это не ускоритель. Одно из существенных отличий заключается в том, что в установке XCELS эксперимент будет сильно сжат по времени: сотни мегаватт можно получить только при условии сверхкороткого лазерного импульса (несколько десятков фемтосекунд, это на несколько порядков меньше, чем наносекунда).
Вместе с тем, частицы в планируемом аппарате должны «летать» со скоростью, близкой световой. Собственно, проект XCELS дает надежду на дальнейшие открытия в этой области, поскольку строительство чего-тограндиознее, чем Большой адронный коллайдер (БАК), мировое сообщество однозначно не потянет. А вот создание лазера с прорывными параметрами, который заставит частицы вести себя примерно так же, как на ускорителе-гиганте, не требует неподъемных финансовых затрат. На БАК, как известно, ушло более 6 млрд евро. Бюджет проекта XCELS требует 1 млрд евро. Предполагается, что основную часть этой суммы – 80% – выделит Правительство РФ, 5% добавят местные власти (возможно, не деньгами, а предоставлением земельного участка и прочими компенсационными процедурами) и 15% – зарубежные страны.
Эту схему проще станет реализовать, если наши планы будут включены в большой европейский проект по изучению экстремального света. По этому проекту в разных странах должны быть построены четыре мощные лазерные установки. Заявки трех стран – Венгрии, Румынии и Чехии – одобрены, уже начато строительство лазеров по 10 ПВт каждый. Осталась четвертая страна, и, возможно, это Россия. Есть, правда, определенные барьеры. В частности, наш лазер будет параметрическим, усиление импульса произойдет благодаря специальным кристаллам (нижегородские ученые их давно и успешно выращивают). У установок, включенных в европейский проект, иной принцип работы. Может также возникнуть и политическое препятствие: наша страна не входит в Еврокомиссию, которая организует проект. Чтобы снять эти и другие барьеры, сегодня идут межправительственные переговоры.
В силу данных обстоятельств реальные сроки реализации проекта XCELS неизвестны. По самым оптимистическим прогнозам, установка должна быть готова к 2021 году.
Мощнейший лазер в мире планируется создать под землей – в первую очередь в целях безопасности. Но у Центра исследования экстремального света будет и богатая наземная инфраструктура: сверху это два двухэтажных здания плюс вспомогательные постройки.
Немаловажный вопрос - где именно станет располагаться установка.
- В здании нашего института это сделать нереально, - говорит заместитель директора ИПФ РАН Ефим Хазанов. – Сегодня рассматривается несколько площадок: возле ботанического сада ННГУ, еще два участка администрация Нижнего Новгорода готова нам выделить вдали от дорог, и у нас есть полигон в Кстовском районе. Всего для будущего центра нужен участок площадью 5 га.
Антиматерия на заказ
Как и на Большом адроном коллайдере, в мишенной камере XCELS будут моделироваться различные астрофизические процессы: рождение, жизнь и взрыв звезды, воздействие света на плазму и так далее. Авторы проекта рассчитывают также, что плазма, поставленная в такие жесткие условия, будет рождать в том числе и антиматерию, которой не существует в нашем мире. В частности, ожидается появление позитронов - по параметрам эти частицы аналогичны электронам, только заряд у них положительный. Возможно, эти эксперименты прольют свет на происхождение Вселенной и дадут ответ на вопросы, не дающие физикам покоя: была ли с самого начала антиматерия? И если да, то почему ее существование стало невозможным?
Как известно, при столкновении материи, распространенной в нашей Вселенной, и антиматерии происходит аннигиляция, то есть уничтожение столкнувшихся сторон с выделением энергии.
Самый, пожалуй, захватывающий из планируемых экспериментов – направление лазерных каналов в пустую мишенную камеру, из которой выкачан воздух. Расчеты показывают, что если в вакуум направить сверхмощные лучи, будет происходить процесс обратный аннигиляции – рождение материи и антиматерии (электронов и позитронов). Иными словами, из пустоты родится вещество. Экспериментально такой эффект не был пока подтвержден в силу недостаточной мощности установок, имеющихся сегодня в арсенале ученых.
Кстати
Подробное описание проекта размещено на сайте ИПФ РАН. В частности, там можно прочитать следующее: «В основе планируемой инфраструктуры будет находиться новый уникальный источник света, в сотни раз превосходящий имеющиеся сейчас лазеры (для сравнения, подобная мощность приблизительно в 10 тысяч раз больше мощности всех источников энергии, работающих на планете). Фундаментальные процессы взаимодействия такого излучения с веществом представляют совершенно новую область знания».
Есть у проекта и прикладные задачи – в частности, изучение интенсивного рентгеновского излучения может «продвинуть» медицинскую диагностику. Сейчас, как известно, есть проблема с «просвечиванием» мягких тканей, полых органов и небольших участков организма – например, сосудов. Потоки частиц, направленные в одну точку, могут решить данную проблему. Возможно, удастся создать новые методы не только диагностики, но и лечения. Плазма в мишенной камере XCELS будет генерировать в том числе и потоки тяжелых частиц (протоны и ионы) – а именно они используются в ходе адронной терапии, которая, к сожалению, недостаточно развита в нашей стране.
Интенсивное излучение, которое возникнет в планируемой лазерной установке, может также сказать новое слово в спектроскопии ядер.
