等离子体粒子加速器或可发现新物理学

在20世纪初，科学家们对构成我们物理世界的基石知之甚少。到本世纪末，他们不仅发现了构成所有可观测物质基础的所有元素，还发现了一系列更基本的粒子，这些粒子构成了我们的宇宙、我们的星球和我们自身。这场革命的工具是粒子加速器。

粒子加速器的巅峰成就出现在2012年，当时大型强子对撞机（LHC）发现了长期以来人们一直寻求的希格斯玻色子。LHC是一个27公里长的加速环，它在日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）以每个束团七万亿电子伏特（TeV）的能量对撞两束质子束。它是迄今为止建造的规模最大、最复杂、也可以说是最昂贵的科学装置。希格斯玻色子是粒子物理学主流理论——标准模型——中最新的一块拼图。然而，自那次发现以来的近10年里，这台机器或任何其他加速器都没有再发现新的粒子。

我们是否已经找到了所有可以找到的粒子？ 很可能没有。粒子物理学的标准模型无法解释暗物质——宇宙中大量存在但不可见的粒子。一个流行的标准模型扩展——超对称——预测存在着比我们已知的粒子多得多的粒子。物理学家们还有其他深刻的未解之谜，例如：是否存在额外的空间维度？为什么在可观测宇宙中存在巨大的物质-反物质不平衡？为了解开这些谜团，我们可能需要比我们今天拥有的粒子对撞机更强大的对撞机。

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许多科学家支持建造国际直线对撞机（ILC）的计划，这是一种直线形加速器，将产生2500亿（吉）电子伏特（GeV）的碰撞能量。虽然不如LHC强大，但ILC将使电子与其反物质对应物——正电子——发生碰撞，这两种基本粒子有望比LHC中的质子-质子碰撞产生更干净的数据。不幸的是，ILC的设计需要一个约20公里长的设施，预计耗资超过100亿美元——如此高的价格使得迄今为止没有哪个国家承诺主办它。

与此同时，还有计划通过增加用于弯曲质子的超导磁体的强度，将LHC的能量升级到现有隧道中的27 TeV。除此之外，欧洲核子研究中心正在提议建造一个周长100公里的电子-正电子和质子-质子对撞机，称为未来环形对撞机。这种机器可以在质子-质子碰撞中达到前所未有的100 TeV能量。然而，这个项目的成本很可能与ILC相当或超过ILC。即使它被建造出来，也必须等到LHC在2035年后停止运行才能开始工作。

但这些庞大而昂贵的机器并不是唯一的选择。自20世纪80年代以来，物理学家一直在开发对撞机的替代概念。其中一种被称为等离子体加速器，它在提供TeV级对撞机方面显示出巨大的潜力，这种对撞机可能比基于现有技术的机器更紧凑、更便宜。

粒子动物园

粒子加速器的故事始于1897年，在剑桥大学卡文迪许物理实验室。在那里，J.J.汤姆逊使用台式阴极射线管（类似于平板电视出现之前的大多数电视机中使用的阴极射线管）创造了最早版本的粒子加速器。他发现了一种带负电的粒子——电子。

不久，物理学家们利用放射性粒子作为射弹轰击原子，从而确定了另外两种原子成分——质子和中子。在20世纪30年代，出现了第一台环形粒子加速器——由欧内斯特·劳伦斯发明的一种掌上大小的装置，称为回旋加速器，它可以将质子加速到约80千伏。此后，加速器技术迅速发展，科学家们能够提高加速带电粒子的能量，以探测原子核。这些进步导致了数百种亚核粒子的发现，开启了基于加速器的高能物理时代。随着上世纪最后四分之一加速器束能量的迅速提高，这些动物园粒子被证明是由标准模型预测的仅仅17种基本粒子构成的。所有这些粒子，除了希格斯玻色子，都在20世纪90年代末的加速器实验中被发现。希格斯玻色子最终在LHC上的出现，使得标准模型成为现代粒子物理学的最高成就。

除了成为历史上最成功的科学发现工具之外，加速器还在医学和我们的日常生活中找到了许多应用。它们被用于CT扫描仪、骨骼X光检查和恶性肿瘤放射治疗。它们在食品灭菌和产生用于无数医学测试和治疗的放射性同位素方面至关重要。它们是X射线自由电子激光器的基础，成千上万的科学家和工程师正在使用X射线自由电子激光器在物理、生命和生物科学领域进行前沿研究。

加速器基础

加速器有两种形状：环形（同步加速器）或线性（直线加速器）。所有加速器都由无线电波或微波供电，可以将粒子加速到接近光速。例如，在LHC中，两个方向相反的质子束反复穿过沿环形分布的所谓射频腔段。这些腔体内的无线电波产生正负振荡的电场，以确保带正电的质子始终感受到向前的拉力。这种拉力加速了质子并向它们传递能量。一旦粒子获得了足够的能量，磁透镜就会将质子束聚焦到沿环形的几个非常精确的碰撞点。当它们碰撞时，它们会产生极高的能量密度，从而导致新的、质量更高的粒子的诞生。

然而，当带电粒子在圆圈中弯曲时，它们会发射“同步辐射”。对于任何给定的环形半径，这种能量损失对于较重的粒子（如质子）来说要小得多，这就是LHC是质子对撞机的原因。但对于电子来说，损失太大了，尤其是当它们的能量增加时，因此旨在碰撞电子和正电子的未来加速器必须是直线对撞机，或者具有非常大的半径，以最大限度地减少曲率，从而减少电子发射的辐射。

对于给定的束能量，加速器复合体的尺寸最终取决于在结构发生电击穿之前可以向加速结构泵入多少射频功率。传统的加速器使用铜来构建这种加速结构，击穿阈值意味着每米可以添加的最大能量在2000万到5000万电子伏特（MeV）之间。加速器科学家们已经试验了在更高频率下工作的新型加速结构，从而提高了电击穿阈值。他们还在努力提高超导腔内的加速场强度，超导腔现在已常规用于同步加速器和直线加速器。这些进步非常重要，并且几乎肯定会在任何范式转变概念颠覆高度成功的传统加速器技术之前得到实施。

最终，可能需要其他策略。1982年，美国能源部的高能物理项目启动了一项适度的倡议，以研究加速带电粒子的全新方法。该项目产生了许多想法；其中三个看起来特别有希望。

第一个被称为双束加速。该方案使用相对便宜但高电荷的电子脉冲在腔体中产生高频辐射，然后将这种辐射转移到第二个腔体以加速第二个电子脉冲。欧洲核子研究中心正在一台名为紧凑型直线对撞机（CLIC）的机器上测试这一概念。

另一个想法是碰撞缪子，缪子是比电子重得多的表亲。它们更大的质量意味着它们可以在圆圈中加速而不会像电子那样损失那么多能量到同步辐射。缺点是缪子是不稳定的粒子，寿命为百万分之二秒。它们是在称为π介子的粒子衰变过程中产生的，而π介子本身必须通过用强质子束碰撞特殊靶标来产生。从来没有人建造过缪子加速器，但加速器科学家中存在该想法的坚定支持者。

最后，还有基于等离子体的加速。这个概念起源于20世纪70年代，由加州大学洛杉矶分校的约翰·M·道森提出，他提议使用强激光脉冲或一束电子产生的等离子体尾波，以比传统加速器快1000倍甚至10000倍的速度加速第二束粒子。这个概念后来被称为等离子体尾波场加速器。它通过提高将这些庞大机器小型化的前景而引起了极大的兴奋，就像集成电路在20世纪60年代开始小型化电子产品一样。

物质的第四态

大多数人熟悉物质的三种状态：固态、液态和气态。等离子体通常被称为物质的第四态。尽管在我们日常经验中相对罕见，但它是我们宇宙中最常见的物质状态。据估计，宇宙中超过99%的可见物质都处于等离子体状态——例如，恒星是由等离子体构成的。等离子体基本上是一种电离气体，具有相等密度的电子和离子。科学家们可以很容易地在实验室中形成等离子体，方法是将电流通过气体，就像在普通荧光灯管中一样。

等离子体尾波场加速器利用了你可以在快艇或喷气式飞机后面找到的那种尾波。当船向前移动时，它会排开水，水会移动到船后方形成尾波。类似地，紧密聚焦但超强的激光脉冲以光速穿过等离子体时，可以通过施加辐射压力并将等离子体电子排出其路径来产生相对论尾波（即，也以接近光速传播的尾波）。如果不是激光脉冲，而是将高能量、高电流的电子束发送到等离子体中，则这些电子的负电荷可以排出所有等离子体电子，这些电子感受到排斥力。较重的等离子体离子（带正电）保持静止。在脉冲过去之后，排出的电子被负电荷和正电荷之间的力吸引回离子。电子移动得太快，以至于它们超过了离子，然后再次感受到向后的拉力，从而形成了振荡尾波。由于等离子体电子与等离子体离子分离，因此在这个尾波内部存在电场。

如果第二束“拖尾”电子束跟随第一束“驱动”脉冲，则这束拖尾束中的电子可以从尾波中获得能量，这与传统加速器中电子束被射频波加速的方式非常相似。如果拖尾束中有足够的电子，它们可以从尾波中吸收足够的能量，从而抑制电场。现在，拖尾束中的所有电子都看到了恒定的加速场，并以相同的速率获得能量，从而减少了束的能量散布。

等离子体加速器相对于其他方案的主要优势在于，等离子体尾波中的电场强度可以很容易地比传统射频腔中的电场强度强1000倍。此外，驱动束传递给尾波的能量中，非常大的一部分可以被拖尾束提取。这些效应使得基于等离子体尾波场的对撞机可能比传统对撞机更紧凑、更便宜。

等离子体的未来

在过去的二十年里，激光驱动和电子驱动的等离子体尾波场加速器都取得了巨大的进步。我在加州大学洛杉矶分校的团队与SLAC国家加速器实验室的物理学家在他们在门洛帕克（加利福尼亚州）的先进加速器实验测试设施（FACET）进行了原型实验。我们注入了初始能量为20 GeV的驱动和拖尾电子束，发现拖尾电子在穿过1.3米长的等离子体后获得了高达9 GeV的能量。我们还在概念验证实验中使用仅1米长的等离子体在正电子束中实现了4 GeV的能量增益。世界各地的其他几个实验室也使用激光驱动的尾波在电子束中产生了多GeV的能量增益。

等离子体加速器科学家的最终目标是实现一台直线加速器，该加速器可以碰撞紧密聚焦的电子和正电子束，或电子和电子束，总能量超过1 TeV。为了完成这项壮举，我们可能需要串联连接大约50个单独的等离子体加速器级，每个级增加10 GeV的能量。

然而，通过如此多的等离子体加速器级对准和同步驱动束和拖尾束，以所需的精度进行碰撞，这是一个巨大的挑战。尾波的典型半径小于一毫米，科学家们必须以亚微米级的精度注入拖尾电子束。他们必须将驱动脉冲和拖尾束之间的时间同步到小于一千亿分之一秒。任何未对准都会导致束质量下降和能量损失，以及由于电子围绕等离子体尾波轴振荡而引起的电荷损失。这种损失以硬X射线发射的形式表现出来，称为贝塔电子辐射，并对我们可以从等离子体加速器中获得的能量施加了有限的限制。

其他技术障碍也阻碍了立即将这个想法转化为对撞机。例如，粒子对撞机的主要品质因数是亮度——基本上是衡量在给定的时间内可以通过给定空间的粒子数量的指标。亮度乘以横截面——或两个粒子将碰撞的机会——告诉你每秒你可能在给定能量下观察到多少特定类型的碰撞。1 TeV电子-正电子直线对撞机的所需亮度为10³⁴ cm^–2s^–1。要实现这种亮度，碰撞束需要具有平均功率，每个束为20兆瓦——每束10¹⁰个粒子，重复频率为10千赫兹，碰撞点处的束尺寸为百亿分之一米。为了说明这有多困难，让我们关注平均功率要求。即使您可以以50%的效率将能量从驱动束转移到加速束，20兆瓦的功率仍将留在两个细等离子体柱中。理想情况下，我们可以部分回收这种功率，但这绝非易事。

尽管科学家们在基于等离子体直线对撞机电子臂所需的技术方面取得了实质性进展，但正电子加速仍处于起步阶段。很可能需要十年有计划的基础科学研究才能使正电子达到我们电子已经达到的水平。或者，我们可以碰撞电子与电子，甚至与质子，其中一个或两个电子臂都基于等离子体尾波场加速器。科学家们在欧洲核子研究中心探索的另一个概念是通过等离子体柱发送一个长达数厘米的质子束，并使用随之而来的等离子体尾波来加速电子束。

基于等离子体的加速器的未来是不确定的，但令人兴奋。似乎有可能在十年内，我们可以在大型台面上建造10 GeV的等离子体加速器，用于使用现有激光和电子束设施的各种科学和商业应用。但这一成就仍然使我们离实现用于新物理学发现的基于等离子体的直线对撞机还有很长的路要走。尽管我们在等离子体加速器研究方面取得了惊人的实验进展，但迄今为止实现的束参数还不是我们未来在能量前沿运行的电子-正电子对撞机的电子臂所需要的。然而，鉴于国际直线对撞机和未来环形对撞机的前景尚不明朗，我们最好的选择可能是坚持完善一种能够节省尺寸和成本的奇异技术。开发等离子体技术是本世纪的一项科学和工程学的宏伟挑战，它为研究人员提供了绝佳的机会，让他们可以承担风险、发挥创造力、解决引人入胜的问题——以及发现自然界新的基本组成部分的诱人可能性。