В Нижнем Новгороде строят самый мощный в мире лазер

Народная новость - То, что задумали нижегородские физики, пока трудно поддается осмыслению. В нашем городе будет создана установка, которая в 200 раз (!) превзойдет по мощности самые передовые лазеры, имеющиеся сегодня на планете. По своему устройству она, конечно, будет отличаться от раскрученного на весь мир Большого адронного коллайдера. Но по научному значению ее вполне можно поставить в один ряд с гигантским ускорителем.

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.

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.