Исследователи Университета Осаки разогнали протоны до энергии 132 МэВ с помощью длинного лазерного импульса и графеновой мишени нанометровой толщины. Это соответствует скорости, близкой к половине скорости света. Университет сообщил о результате 2 октября 2026 года, работу опубликовал журнал Progress of Theoretical and Experimental Physics. DOI: 10.1093/ptep/ptag130.

Как графен продлил ускорение протонов

Ультратонкую мишень может разрушить еще до начала основного воздействия. Перед мощным лазерным импульсом приходит более слабый предварительный импульс. В этом эксперименте графен выдержал его и сохранился до прихода главного импульса.

Когда основной импульс взаимодействовал с мишенью, в плазме возникло движущееся электростатическое поле. Численное моделирование показало, что оно распространялось в виде волны и несколько пикосекунд переносило протоны вперед. Благодаря длинному импульсу частицы набирали энергию дольше, чем при более коротком воздействии.

Представим движущуюся дорожку, на которую попал легкий шарик. Пока он остается на ней, дорожка продолжает разгонять его. В этом условном сравнении роль дорожки играет электрическое поле, а протон получает энергию при взаимодействии с распространяющейся волной. Аналогия описывает только общий принцип: в плазме нет механической или водяной волны, там движется электростатическое поле.

Энергию протонов определяли по следам в стековом детекторе CR-39. Затем исследователи сравнили экспериментальное распределение энергий с результатами численного расчета. Это две разные части работы: детектор зарегистрировал следы частиц с энергией до 132 МэВ, а моделирование объяснило ускорение действием распространяющейся электростатической волны.

Зачем понадобилась нейросеть

Высокоэнергичные протоны встречались редко, а их сигналы терялись среди фоновых следов. Для поиска пришлось обрабатывать миллионы изображений детектора, поэтому исследователи применили сверточную нейросеть. В одном измерении высокоэнергичных частиц показатель precision составил 99,2%. Алгоритм помог выделить и подтвердить сигналы протонов с энергией 132 МэВ.

Нейросеть не участвовала в разгоне частиц и не заменяла детектор. Она классифицировала изображения и отделяла редкие протонные сигналы от фона. Результат 99,2% относится только к одному измерению, поэтому его нельзя переносить на любые настройки установки.

Различать измерение, моделирование и компьютерную обработку данных необходимо и при подготовке научной статьи. В этой работе значение 132 МэВ получено по сигналам детектора, механизм ускорения описан численной моделью, а нейросеть использована для поиска следов на изображениях.

В сообщении Университета Осаки нет полных параметров лазера, геометрии установки и подробного описания нейросети. Поэтому по нему нельзя воспроизвести все условия эксперимента или оценить классификатор за пределами указанного измерения.

Схема показывает роль графеновой мишени, плазменной электростатической волны, детектора CR-39 и нейросети в эксперименте по ускорению протонов до 132 МэВ