大型強子對撞機 (LHC) 是世界上最大的粒子加速器，而其所在地正迎來一臺新機器——但這一次，關鍵在於保持其小型化。
9月18日，位於瑞士日內瓦附近的歐洲頂級粒子物理實驗室 CERN 的理事會批准增加一項計劃實驗的資金，該實驗名為“高階尾波場加速實驗” (AWAKE)。AWAKE 計劃於明年啟動，它將透過讓粒子在等離子體或電離氣體中產生的電荷波上“衝浪”來加速粒子。這種方法可以使未來的加速器能夠在更高的能量下探測物質和自然力，而無需像往常一樣增加儀器的尺寸和成本。
儘管 有計劃在 LHC 於 2030 年代末達到其壽命終點後建造更大的機器，但許多人擔心加速器的尺寸正接近極限，而且這些提議可能最終會因成本過高而無法實施。
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德國漢堡 DESY 高能物理實驗室的加速器物理學家尼克·沃克說：“當你看到這些機器的成本估算和機器的規模時，你會明白可能需要一種新的突破性機制。”
傳統的對撞機，例如 27 公里長的大型強子對撞機 (LHC)，使用電場使帶電粒子在隧道中移動；電場以一定的頻率在正負之間切換，這意味著粒子不斷向前推進，每次推動都會獲得能量。但是，這種對撞機使用金屬壁腔，如果電場太強，就會產生火花。因此，進一步提高粒子速度以及能量的唯一方法是延長隧道。
圖片來源：《自然》雜誌
等離子體尾波場加速器最早在 1970 年代提出，旨在打破這種迴圈，德國慕尼黑馬克斯·普朗克物理研究所的物理學家艾倫·考德威爾說，他將領導 AWAKE 實驗。它們將帶電粒子或雷射脈衝傳送到等離子體中，這會在其尾跡中引起電子和帶正電離子的振盪。由此產生的負電荷和正電荷交替區域形成波，從而加速更多的帶電粒子。在恰當的時間注入，這些粒子有效地在波浪上衝浪（參見“尾波場加速”）。至關重要的是，由於電場比傳統對撞機中的電場強得多，因此在相同的距離上，加速可以高出 1000 倍。
這種加速器以原型形式存在於世界各地的多個設施中，但 AWAKE 將是 CERN 首次嘗試這項技術。“CERN 是目前世界上的高能物理實驗室，它決定這是一個值得參與的重要領域，這一事實對該領域來說是一種肯定，” 加利福尼亞州門洛帕克 SLAC 國家加速器實驗室的加速器物理學家馬克·霍根說。
不同的團隊有不同的方法使等離子體振盪：例如，霍根在 SLAC 的團隊使用電子脈衝。AWAKE 將是第一個使用質子脈衝的實驗，質子脈衝具有一些很大的優勢。
由於質子比電子具有更大的質量，因此每個質子脈衝都會更深入地穿透等離子體，從而形成更長的帶電區域系列，這反過來又為每次脈衝提供更大的加速。質子機器也與 LHC 相容，LHC 加速並碰撞質子。
目前，AWAKE 將使用為 LHC 供能的質子束來測試質子是否可以產生在等離子體中加速粒子所需的電場。
CERN 的最新投資——價值 260 萬瑞士法郎（270 萬美元），來自迄今為止為該實驗承諾的總計 2140 萬瑞士法郎——旨在使 AWAKE 能夠在 2018 年底之前測試該概念，屆時 CERN 計劃關閉其加速器進行升級。成功與否將取決於這些相對於產生等離子體波所需長度而言較長的質子束是否可以有效地切割成短脈衝。
最終，可能會將已被 LHC 加速的更高能量的質子注入等離子體尾波場機器中以進行進一步加速。霍根估計，一臺僅幾公里長的機器可以產生能量是下一個計劃中的傳統加速器（31 公里長的國際直線對撞機）所產生電子能量 6 倍的電子。
儘管有這樣的前景，但等離子體加速器離實際應用還有幾十年的時間，因為沃克說，為了比現有加速器做得更好，它們還必須在效率上與它們匹敵——以高能量和高速率提供聚焦的加速粒子。不過，他補充說，“目前，這是我看到的唯一可能有效的方法。”
這項技術也可能在其他地方有用。尾波場加速電子可以驅動 X 射線自由電子雷射器，後者使用足夠短的強光脈衝來探測物質，從而捕捉分子的運動。這些雷射器目前長達數公里——但使用尾波場技術可能使它們能夠安裝在實驗室或醫院的地下室。“我認為這作為一種潛在的應用更現實，”沃克說，“而且我認為這是在嘗試實現高能物理實驗之前必須邁出的第一步。”
本文經許可轉載，並於 2015 年 10 月 7 日首次發表。