大型强子对撞机 (LHC) 是世界上最大的粒子加速器，而其所在地正迎来一台新机器——但这一次，关键在于保持其小型化。
9月18日，位于瑞士日内瓦附近的欧洲顶级粒子物理实验室 CERN 的理事会批准增加一项计划实验的资金，该实验名为“高级尾波场加速实验” (AWAKE)。AWAKE 计划于明年启动，它将通过让粒子在等离子体或电离气体中产生的电荷波上“冲浪”来加速粒子。这种方法可以使未来的加速器能够在更高的能量下探测物质和自然力，而无需像往常一样增加仪器的尺寸和成本。
尽管 有计划在 LHC 于 2030 年代末达到其寿命终点后建造更大的机器，但许多人担心加速器的尺寸正接近极限，而且这些提议可能最终会因成本过高而无法实施。
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德国汉堡 DESY 高能物理实验室的加速器物理学家尼克·沃克说：“当你看到这些机器的成本估算和机器的规模时，你会明白可能需要一种新的突破性机制。”
传统的对撞机，例如 27 公里长的大型强子对撞机 (LHC)，使用电场使带电粒子在隧道中移动；电场以一定的频率在正负之间切换，这意味着粒子不断向前推进，每次推动都会获得能量。但是，这种对撞机使用金属壁腔，如果电场太强，就会产生火花。因此，进一步提高粒子速度以及能量的唯一方法是延长隧道。
图片来源：《自然》杂志
等离子体尾波场加速器最早在 1970 年代提出，旨在打破这种循环，德国慕尼黑马克斯·普朗克物理研究所的物理学家艾伦·考德威尔说，他将领导 AWAKE 实验。它们将带电粒子或激光脉冲发送到等离子体中，这会在其尾迹中引起电子和带正电离子的振荡。由此产生的负电荷和正电荷交替区域形成波，从而加速更多的带电粒子。在恰当的时间注入，这些粒子有效地在波浪上冲浪（参见“尾波场加速”）。至关重要的是，由于电场比传统对撞机中的电场强得多，因此在相同的距离上，加速可以高出 1000 倍。
这种加速器以原型形式存在于世界各地的多个设施中，但 AWAKE 将是 CERN 首次尝试这项技术。“CERN 是目前世界上的高能物理实验室，它决定这是一个值得参与的重要领域，这一事实对该领域来说是一种肯定，” 加利福尼亚州门洛帕克 SLAC 国家加速器实验室的加速器物理学家马克·霍根说。
不同的团队有不同的方法使等离子体振荡：例如，霍根在 SLAC 的团队使用电子脉冲。AWAKE 将是第一个使用质子脉冲的实验，质子脉冲具有一些很大的优势。
由于质子比电子具有更大的质量，因此每个质子脉冲都会更深入地穿透等离子体，从而形成更长的带电区域系列，这反过来又为每次脉冲提供更大的加速。质子机器也与 LHC 兼容，LHC 加速并碰撞质子。
目前，AWAKE 将使用为 LHC 供能的质子束来测试质子是否可以产生在等离子体中加速粒子所需的电场。
CERN 的最新投资——价值 260 万瑞士法郎（270 万美元），来自迄今为止为该实验承诺的总计 2140 万瑞士法郎——旨在使 AWAKE 能够在 2018 年底之前测试该概念，届时 CERN 计划关闭其加速器进行升级。成功与否将取决于这些相对于产生等离子体波所需长度而言较长的质子束是否可以有效地切割成短脉冲。
最终，可能会将已被 LHC 加速的更高能量的质子注入等离子体尾波场机器中以进行进一步加速。霍根估计，一台仅几公里长的机器可以产生能量是下一个计划中的传统加速器（31 公里长的国际直线对撞机）所产生电子能量 6 倍的电子。
尽管有这样的前景，但等离子体加速器离实际应用还有几十年的时间，因为沃克说，为了比现有加速器做得更好，它们还必须在效率上与它们匹敌——以高能量和高速率提供聚焦的加速粒子。不过，他补充说，“目前，这是我看到的唯一可能有效的方法。”
这项技术也可能在其他地方有用。尾波场加速电子可以驱动 X 射线自由电子激光器，后者使用足够短的强光脉冲来探测物质，从而捕捉分子的运动。这些激光器目前长达数公里——但使用尾波场技术可能使它们能够安装在实验室或医院的地下室。“我认为这作为一种潜在的应用更现实，”沃克说，“而且我认为这是在尝试实现高能物理实验之前必须迈出的第一步。”
本文经许可转载，并于 2015 年 10 月 7 日首次发表。