CERN首次实现质子束驱动的尾波电子加速

科普小知识2021-08-29 02:49:29

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清醒的360度全景来源:欧洲核子研究中心

■我们的记者倪思杰

在科幻小说《三体》中，三体使用“智子”来干扰人类粒子加速器，以阻碍人类在地球上的发展。据估计，在三体世界看来，粒子加速器是人类科学技术发展的最强有力的工具。

很长时间以来，人类都喜欢升级加速器。5月26日清晨，在欧洲核研究中心，新一代加速器——清醒项目首次在世界范围内成功演示了电子束的注入和加速。8月29日，研究结果发表在《自然·[1》杂志上。

“高级尾流场实验”项目是新一代高能加速器原理演示的研发项目。它致力于研究如何通过高能质子束驱动的尾流场在短距离内获得高能电子束。

“这一进展是高能尾波加速器发展的里程碑。然而，作为尾迹加速器的新成员，wake需要在未来进一步展示其在高梯度、高效率和高质量加速方面的发展潜力。”清华大学工程物理系教授、等离子体尾迹加速专家卢伟告诉《中国科学》。

冲向海浪是充满活力的。

自20世纪粒子加速器发明以来，加速器不仅成为人类探索微观世界的触角，也改变了人类的生产和生活方式。例如，加速器可以杀死癌症患者的癌细胞，密封牛奶盒和薯片袋等。

然而，对于高能粒子物理学来说，粒子加速器的能量越高，它就越能帮助人类发现“不可思议”的物理现象。因此，提高加速器的能量一直是科学家们的追求。

为了更快地加速粒子，传统的加速器必须给粒子一个更长的跑道。因此，众所周知的加速器基本上是几百米甚至几公里的巨型物体。欧洲大型强子对撞机(LHC)的粒子加速器周长27公里，可以让加速粒子以接近光速的速度碰撞。

近几十年来，科学家们已经开始考虑系统开发一种新技术的其他方法，这种新技术可以使加速器小型化——尾流加速器。

从20世纪70年代末到80年代初，加州大学洛杉矶分校等离子体物理学的领军人物约翰·道森教授和他的同事们提出了“尾流加速”的概念。

尾流加速器的工作原理是让高能带电粒子束或强激光在等离子体中“冲浪”。科学家首先制造一个充满电离气体的腔室，然后向腔室中注入带电粒子束或激光。当一束电子束或超短超强激光以接近光速的速度在薄等离子体介质中传播时，它会留下一个尾流，类似于一艘船在水中航行时留下的尾流。然后，他们将另一束粒子射向“波”，让粒子束跟随“波”向前加速。

费米国家实验室的周教授告诉《中国科学报》的记者，如果成功研制，尾流加速器可以使每米粒子获得的能量(加速度梯度)大大高于传统加速器，因此加速器可以做得很小。

目前，尾流加速器主要由电子束和激光驱动，而清醒项目是高能质子束驱动的尾流加速器研究项目，可以说是尾流加速器领域的“新成员”。

“超高能质子束在等离子体中可以比电子束驱动和激光驱动传播得更远。因此，高能质子束驱动的尾波可以使电子束加速得更远，获得更高的能量清醒项目的发言人艾伦·考德威尔说。

跑十米要快一百倍。

清醒号有一个10米长的充满电离气体的等离子体舱。当高能质子束注入空腔时，质子穿过等离子体，吸引*电子并产生尾流场，从而产生“波”。然后，另一束电子被注入其中，一些电子将被尾流场捕获并加速。

2013年，欧洲核子研究中心批准了该项目。五年后的今天，这个项目终于第一次用质子“造波”。

“欧洲粒子物理研究所关注高能质子束驱动的尾流加速器，主要是因为欧洲粒子物理研究所拥有世界上能量最高的质子加速器。如果质子束的能量能够通过尾流有效地转化为电子束，有望获得1000亿电子伏或更高能量的电子束，而超高能电子束对于高能粒子物理的研究具有重要意义。”卢伟说道。

卢伟告诉记者，WAKE的主要潜在优势是其驱动质子束的超高能，这意味着它可以在同一等离子体中走得更远。

除了成功地用质子“造波”，WAKE还将电子加速了约100倍。在注入前，加速的电子是1900万电子伏，在等离子体中“冲浪”10米后，电子被加速到20亿电子伏。

"清醒证明，它能达到平均每米加速2亿电子伏的目标."“清醒”的技术协调员兼欧洲粒子物理研究所项目主任埃达·格施温德特纳告诉记者，相比之下，传统的电子加速器目前只能将电子加速3000万到1亿电子伏特每米。

超高能正在路上。

根据专业人士的说法，清醒仍然需要解决一系列重要的挑战。

一个挑战是加速度梯度问题，即电子每米可以加速的能量。一些科学家认为，如果从电子的加速度梯度来看，WAKE的电流水平并不“令人满意”。

2007年2月，《自然》杂志发表了一项研究结果。在82厘米电子束驱动的等离子体尾迹加速器中，研究实现了每米520亿电子伏特的平均电子加速度[2]。这个能量梯度是WAKE当前能量梯度的260倍，总加速能量是WAKE总加速能量的21倍。2014年11月，《自然》杂志还以封面论文的形式公布了验证高效率和低能量弥散尾流加速方案的结果[3]，证实了电子束驱动尾流在高质量加速中的优势。

激光驱动尾波加速器的常见加速梯度约为每米1000亿电子伏。卢伟说，目前，加速所需的能量记录约为70亿电子伏，只需要约0.1米的相对高密度等离子体和一个普通房间大小的超短超强激光就能实现这一加速。

“与普通尾流加速器的加速度梯度相比，WAKE的当前加速度梯度略显不足，后者比传统加速器高出100至10，000倍。”卢伟说道。

然而，尽管电子束或激光驱动尾流加速器的加速梯度较大，但“清醒”的副发言人马修·荣(Matthew Wing)表示，为了获得超高能，电子束或激光驱动尾流加速器需要将短等离子体室连接在一起，实现这些室的高质量级联是一个挑战。

记者了解到，在未来五年内，WAKE研究人员希望增加加速器的梯度，使加速器在10到20米内达到大约1000亿电子伏。

第二个挑战是电子注入俘获的效率。卢伟说，WAKE的当前电子束注入俘获效率低于0.1%，即每1000个电子从常规电子加速器中出来，就有不到一个电子可以注入等离子体室。

当然，低捕获效率的问题并不是WAKE独有的。2016年2月，《自然》杂志发表了美国[劳伦斯·伯克莱国家实验室实现两个腔体级联的结果4]。然而，当从第一腔穿透的电子被注入第二腔时，效率仅为3%至5%。

这是因为注入的电子束必须通过一个孔径很小的孔进入第二个空腔，就像棉线很难快速而可靠地进入绣花针一样。

然而，对于尾波加速器来说，注入俘获效率不是不可逾越的障碍。卢伟告诉记者，清华大学的研究团队取得了突破，实现了从传统加速器到激光尾迹加速器的级联和加速，实现了近100%的注入俘获效率。8月中旬，研究小组应邀在美国举行的高级加速概念国际会议(AAC)上发表了一份会议报告。

尽管wake面临许多挑战，但它仍然值得期待近年来在WAKE加速研究方面的新突破。

“在未来5到10年内，尾流加速的普遍应用将在世界范围内达到高潮。在未来20年，超高能尾流加速器也将逐渐成熟。”卢伟表示，在非高能加速领域，激光尾迹和电子束驱动尾迹加速器的关键技术日趋成熟，有望在3-5年内实现在科研和工业上的初步应用，而用于高能物理应用的超高能尾迹加速器需要更长的时间来开发和完善。