美國打破激光等離子加速器能量世界紀錄

美國打破激光等離子加速器能量世界紀錄

等離子體通道的電子密度分佈圖(藍色)在藍寶石管(灰色)內部形成,結合了放電和80億分之一秒長激光脈衝

為了解我們宇宙的基本本質,科學家們建立粒子對撞機,以使電子及其反物質對應物(正電子)加速到極高的能量(1 TeV等於1萬億電子)。但是,使用傳統技術時,粒子對撞機非常龐大且昂貴(長32公里)。為了縮小這些機器的尺寸和成本,必須提高粒子的加速度。

這就是等離子體物理學可能產生巨大影響的領域:帶電粒子波(等離子波)可以通過其電場提供這種加速度。在激光等離子加速器中,強烈的激光脈衝用於產生等離子波,其電場強度可能是傳統加速器所能達到的數千倍。

最近,美國伯克利實驗室BELLA中心的團隊創造了激光等離子加速器產生的能量的世界紀錄,科學家們在20釐米長的等離子中產生了能量高達78億電子伏特(1GeV等於10億電子伏特)的電子束。如果使用常規技術將需要約91米。

研究人員通過使用新型等離子體波導抵消了激光脈衝的自然擴散,從而實現了這一壯舉。在該波導中,在充滿氣體的藍寶石管中觸發了放電,從而形成等離子體,“加熱器”激光脈衝在中間鑽出了一些等離子體,使其密度降低,從而使激光聚焦。等離子體通道的強度足以保持聚焦激光脈衝在20釐米長的等離子加速器長度範圍內得到很好的限制。

伯克利實驗室的安東尼·貢薩爾維斯博士說:“加熱束使我們能夠控制驅動器激光脈衝的傳播。下一個實驗的目的是獲得對等離子體波中電子注入的精確控制,以實現前所未有的束質量,並將多個階段耦合在一起,以證明獲得更高能量的途徑。”

要使下一代電子-正電子對撞機轉換為TeV能量,將需要連接一系列激光等離子體加速器,每一級都為粒子提供能量提升。

伯克利實驗室的成就之所以令人激動,是因為7.8 GeV是能夠讓這些流程實現的所需能量。

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