Физики ИТМО первыми объяснили природу опасного «зеркального вращения» в ускорителях частиц. Разработанная аналитическая теория показывает, как наклон плоского пучка частиц вызывает сильный противоположный поворот его электромагнитного поля. Этот эффект приводит к нестабильному поведению частиц в компактных ускорителях нового типа и больших коллайдерах. В перспективе разработка позволит предсказывать поведение несимметричных пучков и сделать эксперименты более безопасными и эффективными. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Accelerators and Beams.

Фото: Yur4you / Фотобанк Фотодженика

В 1980-е годы физики предложили революционный способ ускорять электроны, который актуален до сих пор, — с помощью кильватерных волн. Первый пучок частиц, словно корабль, пролетает через специальную трубку и оставляет за собой мощное электромагнитное поле — «кильватерный след». Летящий следом за ним пучок «подхватывает» эту волну и тоже разгоняется. Этот метод открывает возможности для создания более компактных (всего десятки метров в длину), дешевых и эффективных ускорителей частиц и мощных лазеров.

Однако пока реализовать подобные проекты не удается из-за высокой нестабильности в поведении пучков частиц. Сложные электромагнитные поля пучков внутри ускорителя ведут себя непредсказуемо. Яркий пример — обнаруженный в 2024 году  «вращения кильватерного следа». Эксперименты показали: если создать ультра-плоский пучок электронов (в десятки раз шире в одном направлении, чем в другом) и наклонить его внутри канала, то порождаемое им кильватерное поле поворачивается не вместе с пучком, а строго в противоположную сторону.

До сегодняшнего момента описать этот эффект с теоретической точки зрения не удавалось. Ключ к разгадке этого явления первыми нашли ученые ИТМО. Они разработали аналитическую модель, которая не только подтвердила «зеркальное» поведение кильватерного поля, но и доказала, что угол его поворота всегда в полтора раза больше угла наклона пучка.

«Нашей задачей было понять математику “зеркального вращения” для повернутого пучка. Мы проанализировали, как наклон меняет поле пучка частиц, записали уравнения и разработали методы расчета интегралов. В результате у нас получились компактные формулы, которые точно описывают эффект и удобны для инженерных прикидок. Кроме того, эти формулы позволяют предсказать, как поведет себя поле в конкретном устройстве. Зная это, инженеры смогут избегать опасных углов наклона пучка или заранее компенсировать искажения в системе управления ускорителем», — рассказала первый автор работы, студентка-бакалавр Физического факультета ИТМО Анна Чуприна.

Умение предсказывать и контролировать эффект «зеркального вращения» поля — ключ к обеспечению стабильности пучков в кильватерных ускорителях нового поколения и гигантских коллайдерах. Разработка ученых ИТМО открывает путь к созданию более надежных и эффективных ускорителей, которые в будущем могут стать основой для прорывных исследований в физике высоких энергий, открытий в медицине и материаловедении.

«Изучение этого явления — не просто физическое любопытство, а фундаментальный вызов для ускорительных технологий. Количественное описание эффекта, полученное в исследовании, позволит перейти от наблюдения к активному управлению стабильностью в установках будущего», — добавляет научный руководитель работы, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО Станислав Батурин.

Следующий шаг ученых — изучить траекторию движения частиц в кильватерном поле при повороте силовых линий и спрогнозировать, к чему это может привести на разных этапах экспериментов.

Исследование проводилось при поддержке Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС» — грант № 22-1-2-47-17.