Лазер и графен разогнали протоны до 132 миллионов электронвольт

Лазерный импульс попал в мишень из подвешенных слоёв графена. Графен — лист углерода толщиной в один атом. Импульс ускорил протоны, частицы с положительным зарядом, до измеренной максимальной энергии 132 мегаэлектронвольта (МэВ), или 132 миллиона электронвольт. Этой энергии соответствует скорость, близкая к половине скорости света. Результат Такуми Минами, Че-Мена Чу, Кэнтаро Сакаи и их коллег опубликован в журнале Progress of Theoretical and Experimental Physics. Это продвижение в экспериментах с относительно длинными лазерными импульсами данного класса, а не пучок, готовый для лечения пациентов.

Электронвольт — единица энергии, удобная в масштабе частиц. Мишень состояла из нескольких слоёв графена, подвешенных над небольшим зазором. Исследователи стремились с помощью лазера создать сильные электрические поля и дать протонам больше времени для набора энергии.

В Осакском университете исследователи облучали мишени из четырёх, восьми или шестнадцати слоёв графена импульсом длительностью около 1,5 пикосекунды; одна пикосекунда равна триллионной доле секунды. Трековые детекторы регистрировали следы частиц, спектрометр разделял сигналы по энергии, а машинное обучение — компьютерный метод распознавания закономерностей по данным — при анализе изображений помогало находить редкие следы высокоэнергетических протонов. Наибольшее измеренное значение составило 132 МэВ.

Предложенное объяснение основано на двумерном моделировании. После того как лазер превратил часть мишени в плазму — ионизованное вещество, где электроны, освобождённые от атомов, сосуществуют с положительными ионами, — область электрического поля могла двигаться сквозь материал и продолжать толкать протоны более трёх пикосекунд. «Сёрфинг» на этом поле — лишь метафора: частица остаётся в области, которая её ускоряет. Движение поля было рассчитано, а не снято непосредственно.

В сообщении японских Национальных институтов квантовой науки и технологии не указан отдельный журналист. Организация называет 132 МэВ рекордом в категории относительно длинных импульсов и упоминает 150 МэВ для короткоимпульсных лазеров при других условиях. Поэтому 132 МэВ не являются абсолютным мировым рекордом, а эти числа не дают возможности напрямую сравнить эффективность установок.

Эксперимент показывает, что такая схема может ускорить часть протонов до высокой энергии. Но он не продемонстрировал достаточно интенсивный, однородный и управляемый пучок для клинического применения: в небольшой группе протонов с наибольшими энергиями частиц было гораздо меньше, чем в сравнительном исследовании. Решающий следующий шаг — повторить ускорение с достаточным числом протонов и пригодным качеством пучка, а также проверить дополнительными измерениями движущееся поле, предсказанное моделированием.