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CERN首次实现质子束驱动的尾波电子加速
2018年9月6日 来源: 中国科学报

       在科幻小说《三体》中,三体人用“智子”干扰人类粒子加速器,以便阻碍地球人的发展。估计在三体人眼中,粒子加速器算得上是人类科技发展最得力的工具了。


       一直以来,人类对于升级改造加速器乐此不疲。5月26日凌晨,在欧洲核子研究中心(CERN),新一代加速器——AWAKE项目,在世界上首次通过质子束穿越等离子体产生尾波场,并成功演示了电子束的注入与加速。8月29日,这项研究成果发表于《自然》杂志[1]。


       AWAKE项目名为“先进尾波场实验”,是新一代高能加速器的原理论证研发项目,致力于研究如何通过高能质子束驱动的尾波场使电子束在短距离内获得高能量。


      “这个进展是高能尾波加速器发展的一个里程碑。不过,作为尾波加速器的新成员,AWAKE未来需要在高梯度、高效率、高品质加速等方面进一步展示其发展潜力。”清华大学工程物理系教授、等离子体尾波加速专家鲁巍告诉《中国科学报》记者。


       冲个浪 活力旺


       自从20世纪发明粒子加速器以来,加速器不仅是人类探知微观世界的触角,也改变了人类的生产生活方式,比如说加速器可以为癌症患者杀死癌细胞,可以给牛奶盒、薯片袋封口等。


       不过,对于高能粒子物理来说,粒子加速器能量越高,越能帮助人类发现“超乎想象”的物理现象,因此,提升加速器能量一直是科学家们的追求。


       传统的加速器要想让粒子被加速得更快,就必须给粒子更长的跑道,因此,知名的加速器基本都是几百米甚至几公里的庞然大物,欧洲大型强子对撞机(LHC)的粒子加速器,周长27公里,可以让被加速后的粒子以近乎光速对撞。


       近几十年,科学家开始想办法另辟蹊径,系统地发展一种可以将加速器小型化的新技术——尾波加速器。


       在上世纪70年代末到80年代初,美国加州大学洛杉矶分校的等离子体物理泰斗John Dawson教授和他的同事提出了“尾波加速”的概念。


       尾波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”。科学家先做一个充满电离气体的腔体,并将带电粒子束或者激光射进这个腔体。当电子束或超短超强激光以接近光速的速度在稀薄的等离子体介质里传播时,会在等离子体里留下类似船划过水面一样的尾迹,这就是尾波。接着,他们再将另一束粒子射进“波浪”,让粒子束跟着“浪潮”向前冲,实现加速。


       费米国家实验室教授周为仁告诉《中国科学报》记者,如果能够研制成功,尾波加速器可以让粒子在每1米获得的能量(即加速梯度)比传统加速器高很多,如此一来,加速器就可以造得很小。


       目前,尾波加速器主要采用电子束驱动和激光驱动,而AWAKE项目是由高能质子束驱动的尾波加速器研究项目,可谓尾波加速器领域的“新成员”。


      “比起电子束驱动和激光驱动,超高能质子束可以在等离子体中传得更远,因此,高能质子束驱动的尾波有可能让电子束的加速距离更远,获得的能量更高。”AWAKE项目发言人Allen Caldwell说。


       跑十米 快百倍


       AWAKE项目拥有一条长为10米、充满电离气体的等离子体腔。当一束高能质子注入腔体时,质子穿过等离子体,吸引自由电子并产生尾波场,“海浪”就产生了。然后,另一束电子被注入其中,部分电子会被尾波场俘获,实现加速。


       2013年,CERN批准了这个项目,5年后的今天,项目终于第一次用质子“造”出了“浪”。


       “CERN之所以关注高能质子束驱动的尾波加速器,主要是因为CERN拥有世界上能量最高的质子加速器,如果能够通过尾波有效地将质子束能量转换给电子束,就有望获得1000亿电子伏特级或更高能量的电子束,而超高能量电子束对于高能粒子物理研究很有意义。”鲁巍说。


       鲁巍告诉记者,AWAKE的主要潜在优势是其驱动质子束的超高能量,而高能量意味着能够在同样的等离子体中传播更远。


        除了成功用质子“造浪”之外,AWAKE还将电子加速了100倍左右。被加速的电子在注入前是1900万电子伏特,电子跟着等离子体“冲浪”了10米之后,被加速到20亿电子伏特。


      “AWAKE证明,它可以实现平均每米加速2亿电子伏特的目标。”AWAKE的技术协调员及CERN项目负责人Edda Gschwendtner告诉记者,相比之下,目前传统电子加速器通常只能给电子每米加速3000万电子伏特至1亿电子伏特。


      超高能 在路上


      在专业人士看来,AWAKE仍需解决一系列重要挑战。


       一项挑战是加速梯度问题,即电子每米能加速的能量。有科学家认为,如果从电子的加速梯度看,AWAKE目前的水平不能算“令人满意”。


       2007年2月,《自然》杂志发表了一项研究成果,该研究在82厘米的电子束驱动等离子体尾波加速器中,实现了电子平均每米加速520亿电子伏特[2],这一能量梯度是AWAKE目前能量梯度的260倍,加速总能量也是AWAKE加速总能量的21倍。2014年11月,《自然》杂志还以封面论文的形式发表关于验证高效率低能散尾波加速方案的成果[3],证实了电子束驱动尾波在高品质加速方面的优势。


       激光驱动的尾波加速器常见的加速梯度在每米1000亿电子伏特左右。鲁巍表示,当前,加速的能量纪录约 70亿电子伏特,而实现这一加速只需要0.1米左右较高密度的等离子体和一台普通房间大小的超短超强激光器。


       “和一般尾波加速器超出传统加速器百倍到万倍的加速梯度相比,AWAKE目前的加速梯度略显微不足道。”鲁巍说。


       不过,电子束或激光驱动的尾波加速器虽然加速梯度更大,但AWAKE副发言人Matthew Wing表示,要获得超高能量,电子束或激光驱动的尾波加速器有必要将一个个较短的等离子体腔连接到一起,而实现这些腔体的高品质级联是一个挑战。


       记者了解到,在接下来的5年里,AWAKE的研究人员希望提高加速器的梯度,使得加速器在10米到20米内达到大约1000亿电子伏特。


       挑战之二是电子注入俘获效率问题。鲁巍表示,AWAKE目前实现电子束注入的俘获效率在0.1%以下,即每1000个电子从传统的电子加速器出来,只有不到1个能被注入到等离子体腔里。


       当然,俘获效率低的问题并非AWAKE独有。2016年2月,《自然》杂志发表了美国劳伦斯伯克利国家实验室实现两个腔体级联的成果[4],但从第一个腔体中穿出的电子注入到第二个腔体时,效率只有3%至5%。


       之所以如此,是因为被注入的电子束要从孔径非常小的洞里穿进第二个腔体,就好比要将一根棉线快速穿进一根绣花针,想穿得又快又准是很难的。


      不过,注入俘获效率并非尾波加速器难以逾越的障碍。鲁巍向记者透露,目前清华大学研究团队已经取得突破,实现了从传统加速器到激光尾波加速器的级联与加速,并获得了接近100%注入俘获效率。8月中旬,研究团队应邀在美国举办的先进加速概念国际大会(AAC)上就该成果作了大会报告。


       虽然AWAKE面临诸多挑战,但从近年来尾波加速相关研究突破不断的态势看,新的突破仍值得期待。


      “未来5至10年,尾波加速的一般应用将在世界范围内迎来高潮。未来20年,超高能尾波加速器也将逐步走向成熟。”鲁巍表示,在非高能加速领域,激光尾波、电子束驱动尾波加速器的关键技术已日趋成熟,有望在3至5年内在科研和工业等领域实现初步应用,而面向高能物理应用的超高能尾波加速器,则需要更长的时间发展和完善。


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