09.14 利用等離子態的質子來加速電子的方法

科學家們第一次找到了利用等離子態的質子來加速電子的方法。

意義不同凡響，因為它可能是我們將來製造出更小更便宜的粒子加速器所邁出的第一步。

現在，如果你想在自家後院造一臺大型強子對撞機(LHC)式的粒子加速器，你需要建起一條長約27英里的混凝土隧道和價值50億美元的備用更換的設備。

但是最新的實驗使用了一種被稱為等離子體尾流場加速的技術——它只需要10米。

日內瓦歐洲核子研究中心高級質子驅動等離子體加速器加速實驗(AWAKE)背後的團隊經過五年的努力，終於有所收穫。雖然目前還處於早期測試階段，但最終它可能會大幅度地改良粒子加速器設備，而加速器是研究宇宙最基礎現象的最重要的工具。

研究人員說：“我們的結果是開發未來的高能粒子加速器的重要一環。”

現有的粒子加速器(如大型強子對撞機)，內部包含真空的部分被稱為空腔，有振盪的電場產生兩個相反的帶電區域，激發粒子束達到高能級。然後用電磁場控制粒子的運動路線，使它們撞在一起。通過它們崩裂的碎片和電磁波輻射來一窺亞原子粒子內部的構造。

所以為了使粒子達到高能，需要很長的“加速助跑”空間。

在新技術中，超熱等離子體發射的質子束有點像螺旋槳的葉片推動水流——產生強烈電場的泡泡就是所謂的尾流場。

如果使電子束在恰當的時機穿過等離子體容器，與電場完美同步，則電子就像衝浪者始終站在潮頭，從而在短距離內達到極高的速度。

“我認為很快就能實現最高能量的電子束。”英國倫敦大學學院的物理學家和AWAKE的發言人Matthew Wing稱。

尾流場並不是一個新鮮的概念——自20世紀70年代以來，一直都是熱點課題，但這是第一個成功使用質子作為初始“驅動流”的實驗，而以往通常使用的是激光或電子。

為了實現他們的目標，需要藉助CERN的超級質子同步加速器(SPS)獲得質子——SPS是一段7公里長的管子，它還為大型強子對撞機提供質子。現在還不得不用到SPS，所以我們還沒有辦法在自己後院按照粒子加速器，但未來的發展趨勢無疑是非常喜人的。

在10米距離內，電子被加速到2 GeV(千兆電子伏特)。這比現有的電子加速器的輸出功率要小很多，後者可以產生6 GeV乃至更高的能量；目前的記錄是13 TeV，或13000 GeV，由大型強子對撞機所保持。

但是，大型強子對撞機這樣的設施至少需要幾十公里長(實際上，大型強子對撞機要長得多)。研究人員認為質子等離子體的前景更為寬廣。

接下來的步驟是優化實驗步驟，以使它們更高效地工作且能夠賦予粒子更高的能量。這一過程可能需要5到10年的時間，但我們已經在路上了。

“我們期待從實驗中收穫更多的結果，以證明等離子態尾流場技術才是未來粒子加速器的基礎。”Gschwendtner說。

論文發表在Nature上。

本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發佈。