Пару недель назад Компьютерра писала о мировом рекорде, установленном Ливермольской национальной лабораторией. Её система из 192 объединённых лазеров выдала импульс мощностью 500 ТВт. Настало время обновить рекорд. Другая лазерная установка подняла планку вдвое, достигнув показателя пиковой мощности 1 ПВт.

В ходе недавних испытаний лазерный ускоритель в лаборатории имени Лоуренса в Беркли (BELLA – Berkeley Lab Laser Accelerator) ежесекундно генерировал петаваттные импульсы. При всей беспрецедентности достигнутого показателя, его разгадка кроется в деталях и фактически BELLA гораздо “слабее” предшественника. В чём же причина такого несоответствия?

Лазерная система BELLA на стадии строительства. Фото: Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory

Секрет небывалых значений мощности обеих лазерных систем объясняется сверхмалой продолжительностью импульсов, но вдвойне интереснее сравнить их между собой. У предыдущего рекордсмена (NIF) она составляла около 4 миллионных долей секунды. За это время передавалось 1,85 МДж энергии, что действительно очень много. В отличие от NIF, BELLA генерирует ультракороткие импульсы длительностью около 40 фемтосекунд, передавая в каждом из них чуть более 40 джоулей.

Если взять не пиковые, а средние значения мощности за более продолжительный интервал времени, то окажется, что, несмотря на формальный рекорд, BELLA сильно уступает предшественнику по этому показателю. Данные лазерные системы имеют массу принципиальных отличий, поэтому сравнивать их без множества уточнений было бы столь же некорректно, как спрашивать кто сильнее: слон или кит.

Моделирование принципа работы лазерно-плазменного ускорителя. Желтым и зеленым цветом показаны электронный пучки, ускоряющие движение плазменных волн (синий цвет), порождаемых лазерным импульсом. (Изображение: Камерон Геддес, научно-вычислительный центр NERSC)

Установка Ливермольской лаборатории создавалась ради передачи цели максимального количества энергии. Данная научно-практическая задача актуальна в первую очередь для запуска термоядерного синтеза.

Исследовательская группа проекта LOASIS

Лазерная система лаборатории в Беркли преследует совсем иные цели. Она является развитием идей проекта LOASIS (Lasers, Optical Accelerator Systems Integrated Studies), главной задачей которого было создание компактных лазерно-плазменных ускорителей частиц.

Традиционные коллайдеры используют электрическое поле стоячей радиоволны для придания заряженным частицам околосветовых скоростей. Длина и площадь таких ускорителей измеряется километрами. В отличие от них, лазерно-плазменные ускорители (ЛПУ) используют кильватерное ускорение электронов в плазме и позволяют уменьшить требуемые габариты до нескольких десятков метров.

Дополнительным преимуществом ЛПУ является двойная роль лазерных импульсов: они разогревают газ до состояния плазмы и одновременно создают в её пузырьках электрическое поле высочайшей напряжённости (десятки ГВ/м), недостижимое в современных коллайдерах линейного и кольцевого типа. К тому же, в потоке плазмы могут одновременно находиться частицы с зарядами разных знаков, что существенно расширяет возможности экспериментов.