歐洲核子研究中心的一項實驗展示了一種將電子加速到高能量的新方法——這種方法可以顯著縮小未來粒子加速器的大小並降低其成本。
這項技術是開發一種名為等離子體尾波場加速技術的激烈競爭中的最新參與者。該方法利用等離子體（一種電離原子湯）中的波，在比當今粒子加速器所需的距離短得多的距離上將電子推向更高的能量。幾個實驗室已經展示了使用兩種不同方法的等離子體尾波場加速；大多數團隊使用雷射束來產生所需的等離子體波。最新的工作首次表明，質子也可以誘導波並實現電子加速——這項技術可能比其他技術更具優勢，因為質子可以在長距離上攜帶高能量。
在這種情況下，研究人員轉移了通常會輸入到位於瑞士日內瓦附近的歐洲粒子物理實驗室歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）的質子，而是將它們插入到尾波場加速器中，稱為高階尾波場實驗（AWAKE）。該機器按預期工作，併產生了一致的加速電子束。“對我們來說，這是一個重大成就，”倫敦大學學院的物理學家、AWAKE 的副發言人馬修·溫說。“它本質上表明該方法是可行的，而且以前從未有人做過。”這項工作於 8 月 29 日在《自然》雜誌上發表。
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在 AWAKE 五月份的首次實驗執行中，該團隊在 10 米內將電子加速到 2 千兆電子伏特 (GeV) 的能量。溫說，原則上，一個更大的實驗版本，從 LHC 的主環而不是其低能量的姊妹環獲取質子，可以在一個長達數公里的階段將電子推向太電子伏特（數千 GeV）的能量。
加州大學洛杉磯分校的雷射等離子體尾波場研究團隊負責人詹姆斯·羅森茨威格說：“這將是一項引人注目的成就，因為目前沒有可用的太電子伏特電子的實驗室來源。”
加速進展
質子“尾流”在不到十年前首次被提出作為加速電子的潛在方法。“令人印象深刻的是，短短幾年，它就從無到有，變成了一個非常重要的實驗，”位於加利福尼亞州門洛帕克的 SLAC 國家加速器實驗室的物理學家馬克·霍根說，他在那裡進行等離子體尾波場實驗。
雖然世界上最強大的加速器 LHC 在環中迴圈質子，但世界上大多數加速器實驗室都使用電子束，通常由線性加速器產生。大多數電子加速器使用強大的射頻波來攜帶電場，推動注入的電子束，當它們在高真空管道內移動時會獲得越來越多的能量。更強的電場可以在更短的距離內加速粒子，因此將場強加倍意味著以一半長度的加速器達到相同的能量。但是這些傳統加速器中的電場不能達到每米超過 1 億伏特。
相反，在等離子體尾波場加速器中，電子在電子和正離子的混合物中移動，而不是在空曠的空間中移動。到目前為止，有兩種成熟的方法可以實現這種加速。一種是雷射驅動的，其中雷射的振盪電場將等離子體的電子橫向推動，而較重的正離子響應較慢，並且基本上保持在原位。正負電荷的分離大大放大了雷射的電場。這可以在波中建立小區域，其中電場達到每米 1000 億伏特——比傳統加速實現的電場大 1000 倍。然後，研究人員注入電子束，這些電子束在策略上進行定時，以在這些區域內“衝浪”並獲得能量。
有幾個實驗室一直在研究雷射技術，該技術不需要大型基礎設施，但它在單個等離子體階段可以賦予注入電子的能量有限。溫說，原則上，來自一個此類加速器的電子可以饋送到另一個加速器中，在每個步驟中提高能量。
串聯助推器
霍根和 SLAC 的其他人開創了另一種等離子體尾波場加速技術，該技術使用單獨的電子束產生等離子體波。一束被插入等離子體中，透過排斥等離子體的電子來產生第一個波。另一束緊隨其後；當第一束將能量轉移到等離子體時，第二束會收回一些能量並加速。2007 年，霍根和他的同事證明，他們可以在 1 米的等離子體中賦予電子與 SLAC 歷史悠久的線性加速器在其 3 公里長的整個路徑中所做的能量一樣多的能量。
然後，在 2009 年，德國慕尼黑馬克斯·普朗克物理研究所的艾倫·考德威爾和他的合作者提出了另一種方法3：使用質子而不是電子來誘導等離子體波。為了將該提議付諸實踐，歐洲核子研究中心建造了高階尾波場實驗（AWAKE），這是一個耗資 2500 萬美元的設施，位於地下 100 米的實驗大廳內，位於 LHC 環內。
AWAKE 從歐洲核子研究中心一個名為超級質子同步加速器的 6 公里環中獲取質子，該環通常將粒子饋送到 LHC 的主要 27 公里環中，然後將它們射入一個充滿銣等離子體的 10 米長的細胞中。一個專門建造的較小加速器產生插入質子尾流中的電子。該加速器實現了 2 GeV 的束能量，這種設定的升級版本可能會產生能量高達 100 GeV 的電子，溫說。溫補充說，即使在 50 GeV 範圍內的能量也可以用於將電子射向固定目標的實驗。
羅森茨威格和其他人警告說，在許多應用中，僅僅具有非常高的能量是不夠的。光束還必須具有高質量——例如，關於每束電子的能量彼此之間的差異以及它們之間的緊密程度。加速的電子可以反過來用於產生高強度雷射。這種應用可以建立更緊湊的儀器版本，例如自由電子雷射器，該雷射器用於其他科學領域以探測材料和分子。
但是，對於粒子正面碰撞的基本物理實驗，將需要更高質量的光束。霍根說，SLAC 基於電子的專案的下一階段（計劃於 2019 年開始）將重點在於展示對光束質量的改進。至於 AWAKE，這些改進將會在以後的階段進行，霍根說。“有很多步驟要解決，但他們已經邁出了非常重要的第一步。”
更正 2018 年 9 月 5 日：本文的原始版本錯誤地指出，以前沒有嘗試過多級雷射等離子體加速。
本文經許可轉載，並於 2018 年 8 月 29 日首次發表。