Морис Обстфельд

Морис Обстфельд — французский и американский физик, известный своими работами в области физики плазмы, ускорительной физики и создания источников синхротронного излучения. Наибольшую известность ему принесла разработка концепции плазменного кильватерного ускорения (plasma wakefield acceleration), которая стала одним из перспективных направлений в создании компактных и мощных ускорителей заряженных частиц.

Биография

Морис Обстфельд родился 1 января 1950 года в Париже, Франция. Его отец был врачом, а мать — учительницей. Обстфельд проявил интерес к точным наукам еще в школьные годы. Он окончил престижную Высшую школу физики и промышленной химии города Парижа (ESPCI ParisTech) в 1973 году, получив диплом инженера-физика. После этого он продолжил обучение в аспирантуре в Парижском университете (Университет Пьера и Марии Кюри), где в 1976 году защитил докторскую диссертацию по физике плазмы под руководством профессора Жака Пейро.

Сразу после защиты диссертации Обстфельд начал работать в Комиссариате по атомной энергии Франции (CEA) в Сакле. Там он занимался исследованиями в области лазерного термоядерного синтеза и взаимодействия интенсивных лазерных импульсов с плазмой. В 1980-х годах его внимание привлекли работы по лазерному ускорению частиц, которые велись в США и СССР. В 1985 году Обстфельд переехал в Соединённые Штаты, получив позицию в Национальной лаборатории ускорителей SLAC (Стэнфордский центр линейного ускорителя) в Калифорнии. В SLAC он проработал более 30 лет, пройдя путь от научного сотрудника до старшего научного руководителя и заведующего отделом физики ускорителей.

В 2018 году Обстфельд вышел на пенсию, но продолжил активную консультационную и преподавательскую деятельность. Он является заслуженным профессором Стэнфордского университета (с 2005 года) и членом Американского физического общества (APS).

Научная деятельность

Основные научные достижения Мориса Обстфельда связаны с разработкой и экспериментальной демонстрацией метода плазменного кильватерного ускорения (PWFA). Этот метод основан на возбуждении в плазме интенсивного электрического поля (кильватерной волны) с помощью короткого импульса заряженных частиц (драйвера). Последующие частицы, движущиеся в этой волне, могут приобретать гигантскую энергию на очень коротком расстоянии.

Плазменное кильватерное ускорение (PWFA)

В 1988 году Обстфельд совместно с коллегами из SLAC и других лабораторий опубликовал теоретическую работу, в которой предложил использовать сгусток электронов высокой энергии для возбуждения кильватерной волны в плазме. В отличие от лазерного кильватерного ускорения (LWFA), где драйвером является лазерный импульс, в PWFA используется пучок частиц, что позволяет достигать более высоких плотностей энергии и, соответственно, более сильных ускоряющих полей.

Ключевым экспериментом стала серия работ, проведённая в SLAC в 1990-х — 2000-х годах. В 2007 году группа под руководством Обстфельда впервые продемонстрировала удвоение энергии электронов с 42 ГэВ до 85 ГэВ на расстоянии всего около 1 метра плазмы. Это был рекордный результат, показавший, что плазменные ускорители могут конкурировать с традиционными радиочастотными ускорителями по эффективности, но при гораздо меньших размерах. Ускоряющее поле в этом эксперименте достигало десятков гигавольт на метр, что в сотни раз превышает возможности обычных ускорителей.

Другие направления

Помимо PWFA, Обстфельд внёс вклад в:

• Разработку источников синхротронного излучения: Он участвовал в проектировании и оптимизации ондуляторов и вигглеров для получения яркого рентгеновского излучения на синхротронах третьего поколения.
• Физику лазерно-плазменного взаимодействия: Исследовал процессы самофокусировки лазерных импульсов в плазме, генерацию гармоник и ускорение ионов.
• Диагностику плазменных пучков: Разработал методы измерения электронной плотности и температуры плазмы с помощью зондов и интерферометрии.

Основные публикации

Морис Обстфельд является автором и соавтором более 250 научных статей в рецензируемых журналах, включая такие престижные издания, как Physical Review Letters, Nature и Science. Наиболее цитируемые работы:

1. «Plasma Wakefield Acceleration» (P. Chen, J. M. Dawson, R. W. Huff, T. Katsouleas, M. Obstfeld, 1988) — основополагающая статья, заложившая теоретическую базу метода.
2. «Energy doubling of 42 GeV electrons in a metre-scale plasma wakefield accelerator» (I. Blumenfeld et al., 2007, Nature) — экспериментальная демонстрация рекордного ускорения.
3. «High-gradient plasma wakefield acceleration» (M. J. Hogan et al., 2005, Physical Review Letters) — обзор результатов первых экспериментов с высокими градиентами.

Признание и награды

За свои достижения Морис Обстфельд был удостоен ряда престижных наград:

• Премия по физике ускорителей Американского физического общества (2008) — за «пионерские работы по плазменному кильватерному ускорению».
• Медаль Европейского физического общества за выдающиеся достижения в физике ускорителей (2012).
• Член Национальной академии наук США (2015).
• Почётный доктор Парижского университета (2016).

Критика и ограничения

Несмотря на впечатляющие результаты, метод плазменного кильватерного ускорения остаётся экспериментальной технологией. Основные ограничения включают:

• Нестабильность плазмы: Плазменные волны чувствительны к флуктуациям плотности и температуры, что затрудняет точное управление ускорением.
• Качество пучка: Ускоренные пучки часто имеют большой разброс по энергии (энергетический разброс) и эмиттанс, что делает их непригодными для многих приложений (например, для коллайдеров).
• Масштабирование: Для практического использования в физике высоких энергий необходимо создать многоступенчатые плазменные ускорители, что требует решения сложных инженерных задач.

Обстфельд и его коллеги активно работают над преодолением этих проблем, в частности, разрабатывая методы фокусировки и стабилизации плазменных волн.

Источники

1. P. Chen, J. M. Dawson, R. W. Huff, T. Katsouleas, M. Obstfeld, «Plasma Wakefield Acceleration», Physical Review Letters, 1988.
2. I. Blumenfeld et al., «Energy doubling of 42 GeV electrons in a metre-scale plasma wakefield accelerator», Nature, 2007.
3. M. J. Hogan et al., «High-gradient plasma wakefield acceleration», Physical Review Letters, 2005.
4. Биографическая справка на сайте Стэнфордского университета (SLAC).
5. Профиль Мориса Обстфельда на сайте Американского физического общества.