欧洲核子研究中心的一项实验展示了一种将电子加速到高能量的新方法——这种方法可以显著缩小未来粒子加速器的大小并降低其成本。
这项技术是开发一种名为等离子体尾波场加速技术的激烈竞争中的最新参与者。该方法利用等离子体（一种电离原子汤）中的波，在比当今粒子加速器所需的距离短得多的距离上将电子推向更高的能量。几个实验室已经展示了使用两种不同方法的等离子体尾波场加速；大多数团队使用激光束来产生所需的等离子体波。最新的工作首次表明，质子也可以诱导波并实现电子加速——这项技术可能比其他技术更具优势，因为质子可以在长距离上携带高能量。
在这种情况下，研究人员转移了通常会输入到位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）的质子，而是将它们插入到尾波场加速器中，称为高级尾波场实验（AWAKE）。该机器按预期工作，并产生了一致的加速电子束。“对我们来说，这是一个重大成就，”伦敦大学学院的物理学家、AWAKE 的副发言人马修·温说。“它本质上表明该方法是可行的，而且以前从未有人做过。”这项工作于 8 月 29 日在《自然》杂志上发表。
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在 AWAKE 五月份的首次实验运行中，该团队在 10 米内将电子加速到 2 千兆电子伏特 (GeV) 的能量。温说，原则上，一个更大的实验版本，从 LHC 的主环而不是其低能量的姊妹环获取质子，可以在一个长达数公里的阶段将电子推向太电子伏特（数千 GeV）的能量。
加州大学洛杉矶分校的激光等离子体尾波场研究团队负责人詹姆斯·罗森茨威格说：“这将是一项引人注目的成就，因为目前没有可用的太电子伏特电子的实验室来源。”
加速进展
质子“尾流”在不到十年前首次被提出作为加速电子的潜在方法。“令人印象深刻的是，短短几年，它就从无到有，变成了一个非常重要的实验，”位于加利福尼亚州门洛帕克的 SLAC 国家加速器实验室的物理学家马克·霍根说，他在那里进行等离子体尾波场实验。
虽然世界上最强大的加速器 LHC 在环中循环质子，但世界上大多数加速器实验室都使用电子束，通常由线性加速器产生。大多数电子加速器使用强大的射频波来携带电场，推动注入的电子束，当它们在高真空管道内移动时会获得越来越多的能量。更强的电场可以在更短的距离内加速粒子，因此将场强加倍意味着以一半长度的加速器达到相同的能量。但是这些传统加速器中的电场不能达到每米超过 1 亿伏特。
相反，在等离子体尾波场加速器中，电子在电子和正离子的混合物中移动，而不是在空旷的空间中移动。到目前为止，有两种成熟的方法可以实现这种加速。一种是激光驱动的，其中激光的振荡电场将等离子体的电子横向推动，而较重的正离子响应较慢，并且基本上保持在原位。正负电荷的分离大大放大了激光的电场。这可以在波中创建小区域，其中电场达到每米 1000 亿伏特——比传统加速实现的电场大 1000 倍。然后，研究人员注入电子束，这些电子束在策略上进行定时，以在这些区域内“冲浪”并获得能量。
有几个实验室一直在研究激光技术，该技术不需要大型基础设施，但它在单个等离子体阶段可以赋予注入电子的能量有限。温说，原则上，来自一个此类加速器的电子可以馈送到另一个加速器中，在每个步骤中提高能量。
串联助推器
霍根和 SLAC 的其他人开创了另一种等离子体尾波场加速技术，该技术使用单独的电子束产生等离子体波。一束被插入等离子体中，通过排斥等离子体的电子来产生第一个波。另一束紧随其后；当第一束将能量转移到等离子体时，第二束会收回一些能量并加速。2007 年，霍根和他的同事证明，他们可以在 1 米的等离子体中赋予电子与 SLAC 历史悠久的线性加速器在其 3 公里长的整个路径中所做的能量一样多的能量。
然后，在 2009 年，德国慕尼黑马克斯·普朗克物理研究所的艾伦·考德威尔和他的合作者提出了另一种方法3：使用质子而不是电子来诱导等离子体波。为了将该提议付诸实践，欧洲核子研究中心建造了高级尾波场实验（AWAKE），这是一个耗资 2500 万美元的设施，位于地下 100 米的实验大厅内，位于 LHC 环内。
AWAKE 从欧洲核子研究中心一个名为超级质子同步加速器的 6 公里环中获取质子，该环通常将粒子馈送到 LHC 的主要 27 公里环中，然后将它们射入一个充满铷等离子体的 10 米长的细胞中。一个专门建造的较小加速器产生插入质子尾流中的电子。该加速器实现了 2 GeV 的束能量，这种设置的升级版本可能会产生能量高达 100 GeV 的电子，温说。温补充说，即使在 50 GeV 范围内的能量也可以用于将电子射向固定目标的实验。
罗森茨威格和其他人警告说，在许多应用中，仅仅具有非常高的能量是不够的。光束还必须具有高质量——例如，关于每束电子的能量彼此之间的差异以及它们之间的紧密程度。加速的电子可以反过来用于产生高强度激光。这种应用可以创建更紧凑的仪器版本，例如自由电子激光器，该激光器用于其他科学领域以探测材料和分子。
但是，对于粒子正面碰撞的基本物理实验，将需要更高质量的光束。霍根说，SLAC 基于电子的项目的下一阶段（计划于 2019 年开始）将重点在于展示对光束质量的改进。至于 AWAKE，这些改进将会在以后的阶段进行，霍根说。“有很多步骤要解决，但他们已经迈出了非常重要的第一步。”
更正 2018 年 9 月 5 日：本文的原始版本错误地指出，以前没有尝试过多级激光等离子体加速。
本文经许可转载，并于 2018 年 8 月 29 日首次发表。