Разогнать заряженную частицу хоть до околосветовых скоростей — задача, которая давно решается массово и в промышленных целях. Ускорителями облучают раковые опухоли, пробивают микроскопические отверстия в разных материалах, их используют в рентгеновских лазерах и общий принцип работы такой техники понятен любому школьнику. Заряженная частица в электрическом поле начинает двигаться в сторону электрода, чей заряд противоположен заряду частицы, ну а магнитным полем эту частицу можно повернуть в нужном направлении. Все варианты ускорителей — циклотроны, синхротроны, синхрофазотроны и прочее — это уже подробности, которые изучают студенты-физики.
Но как разогнать частицы, у которых нет заряда? Пучок нейтронов, положим, можно получить на выходе из ядерного реактора, там это продукт радиоактивного распада. А если нужно, скажем, получить быстро движущиеся атомы какого-нибудь аргона? Задача, прямо скажем, не из числа исключительно теоретических, так как нейтрально заряженными атомами можно было бы обстреливать разные материалы и за счет этого создавать тончайшие покрытия, необходимые для, скажем, деталей термоядерного реактора. В новом выпуске Nature Physics группа ученых из Института фундаментальных исследований Тата в Индии делится описанием установки, которая разгоняет атомы аргона до скоростей, соответствующих энергии около одного мегаэлектронвольта. В миллионы раз большей, чем предыдущие результаты!
Напомним, что электронвольтом (эВ) называют единицу измерения энергии, равную энергии электрона, пролетевшего между контактами с разностью потенциалов в один вольт. Кванты света имеют энергию в один-два эВ, рентгеновские лучи — это тысячи и десятки тысяч КэВ, в МэВ-ах измеряют энергию продуктов ядерных реакций, ну а ГэВ и ТэВ — это уже коллайдеры и астрофизические процессы. А энергия химической связи — от долей до нескольких эВ; в микромире эта величина намного удобнее основной единицы системы СИ, джоуля.
Индийский лазерный ускоритель сначала ионизирует атомы и тем самым обходит фундаментальное ограничение, вызванное невозможностью воздействия на нейтральные частицы электромагнитным полем. Потом следует короткий лазерный импульс, который, как гласит опять-таки еще школьный курс физики, является электромагнитной волной. Волна толкает ионы, а далее эти ионы встречаются с оторванными ранее электронами и снова превращаются в обычные атомы. Все. Правда, это лишь в кратком и предельно упрощенном пересказе. На деле, конечно, есть целый ряд нюансов.
Например, сама по себе электромагнитная волна частицы ускорять не может, хотя и может оказывать на них давление — свет чуть-чуть давит на все тела и даже газы. Частицы ускоряются не просто импульсом света, а тем электромагнитным полем, которое возникает при его прохождении через среду. Световой импульс сам расталкивает в сторону электроны, оставляя на месте намного более массивные ионы, в результате чего сразу за лучом возникает разность потенциалов — ведь положительные и отрицательные заряды теперь разнесены в разные места. Эта разность потенциалов достигает многих гигавольт на метр и она-то уже и обеспечивает ускорение (так называемое кильватерное ускорение частиц). Но чтобы добиться такого эффекта нужны мощные лазеры и прочая сложная экспериментальная техника. Лазерные ускорители активно изучают и многие физики считают, что со временем они составят конкуренцию если не большим коллайдерам, то ускорителям поменьше.