中國核技術(shù)網(wǎng)訊：在科幻小說《三體》中，三體人用“智子”干擾人類粒子加速器，以便阻礙地球人的發(fā)展。估計(jì)在三體人眼中，粒子加速器算得上是人類科技發(fā)展最得力的工具了。

一直以來，人類對于升級改造加速器樂此不疲。5月26日凌晨，在歐洲核子研究中心(CERN)，新一代加速器——AWAKE項(xiàng)目，在世界上首次通過質(zhì)子束穿越等離子體產(chǎn)生尾波場，并成功演示了電子束的注入與加速。8月29日，這項(xiàng)研究成果發(fā)表于《自然》雜志[1]。

AWAKE項(xiàng)目名為“先進(jìn)尾波場實(shí)驗(yàn)”，是新一代高能加速器的原理論證研發(fā)項(xiàng)目，致力于研究如何通過高能質(zhì)子束驅(qū)動的尾波場使電子束在短距離內(nèi)獲得高能量。

“這個(gè)進(jìn)展是高能尾波加速器發(fā)展的一個(gè)里程碑。不過，作為尾波加速器的新成員，AWAKE未來需要在高梯度、高效率、高品質(zhì)加速等方面進(jìn)一步展示其發(fā)展?jié)摿Α?rdquo;清華大學(xué)工程物理系教授、等離子體尾波加速專家魯巍告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者。

沖個(gè)浪 活力旺

自從20世紀(jì)發(fā)明粒子加速器以來，加速器不僅是人類探知微觀世界的觸角，也改變了人類的生產(chǎn)生活方式，比如說加速器可以為癌癥患者殺死癌細(xì)胞，可以給牛奶盒、薯片袋封口等。

不過，對于高能粒子物理來說，粒子加速器能量越高，越能幫助人類發(fā)現(xiàn)“超乎想象”的物理現(xiàn)象，因此，提升加速器能量一直是科學(xué)家們的追求。

傳統(tǒng)的加速器要想讓粒子被加速得更快，就必須給粒子更長的跑道，因此，知名的加速器基本都是幾百米甚至幾公里的龐然大物，歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)的粒子加速器，周長27公里，可以讓被加速后的粒子以近乎光速對撞。

近幾十年，科學(xué)家開始想辦法另辟蹊徑，系統(tǒng)地發(fā)展一種可以將加速器小型化的新技術(shù)——尾波加速器。

在上世紀(jì)70年代末到80年代初，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的等離子體物理泰斗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讓高能帶電粒子束或強(qiáng)激光在等離子體中“沖浪”。科學(xué)家先做一個(gè)充滿電離氣體的腔體，并將帶電粒子束或者激光射進(jìn)這個(gè)腔體。當(dāng)電子束或超短超強(qiáng)激光以接近光速的速度在稀薄的等離子體介質(zhì)里傳播時(shí)，會在等離子體里留下類似船劃過水面一樣的尾跡，這就是尾波。接著，他們再將另一束粒子射進(jìn)“波浪”，讓粒子束跟著“浪潮”向前沖，實(shí)現(xiàn)加速。

費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室教授周為仁告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，如果能夠研制成功，尾波加速器可以讓粒子在每1米獲得的能量(即加速梯度)比傳統(tǒng)加速器高很多，如此一來，加速器就可以造得很小。

目前，尾波加速器主要采用電子束驅(qū)動和激光驅(qū)動，而AWAKE項(xiàng)目是由高能質(zhì)子束驅(qū)動的尾波加速器研究項(xiàng)目，可謂尾波加速器領(lǐng)域的“新成員”。

“比起電子束驅(qū)動和激光驅(qū)動，超高能質(zhì)子束可以在等離子體中傳得更遠(yuǎn)，因此，高能質(zhì)子束驅(qū)動的尾波有可能讓電子束的加速距離更遠(yuǎn)，獲得的能量更高。”AWAKE項(xiàng)目發(fā)言人Allen Caldwell說。

跑十米 快百倍

AWAKE項(xiàng)目擁有一條長為10米、充滿電離氣體的等離子體腔。當(dāng)一束高能質(zhì)子注入腔體時(shí)，質(zhì)子穿過等離子體，吸引自由電子并產(chǎn)生尾波場，“海浪”就產(chǎn)生了。然后，另一束電子被注入其中，部分電子會被尾波場俘獲，實(shí)現(xiàn)加速。

2013年，CERN批準(zhǔn)了這個(gè)項(xiàng)目，5年后的今天，項(xiàng)目終于第一次用質(zhì)子“造”出了“浪”。

“CERN之所以關(guān)注高能質(zhì)子束驅(qū)動的尾波加速器，主要是因?yàn)镃ERN擁有世界上能量最高的質(zhì)子加速器，如果能夠通過尾波有效地將質(zhì)子束能量轉(zhuǎn)換給電子束，就有望獲得1000億電子伏特級或更高能量的電子束，而超高能量電子束對于高能粒子物理研究很有意義。”魯巍說。

魯巍告訴記者，AWAKE的主要潛在優(yōu)勢是其驅(qū)動質(zhì)子束的超高能量，而高能量意味著能夠在同樣的等離子體中傳播更遠(yuǎn)。

除了成功用質(zhì)子“造浪”之外，AWAKE還將電子加速了100倍左右。被加速的電子在注入前是1900萬電子伏特，電子跟著等離子體“沖浪”了10米之后，被加速到20億電子伏特。

“AWAKE證明，它可以實(shí)現(xiàn)平均每米加速2億電子伏特的目標(biāo)。”AWAKE的技術(shù)協(xié)調(diào)員及CERN項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Edda Gschwendtner告訴記者，相比之下，目前傳統(tǒng)電子加速器通常只能給電子每米加速3000萬電子伏特至1億電子伏特。

超高能 在路上

在專業(yè)人士看來，AWAKE仍需解決一系列重要挑戰(zhàn)。

一項(xiàng)挑戰(zhàn)是加速梯度問題，即電子每米能加速的能量。有科學(xué)家認(rèn)為，如果從電子的加速梯度看，AWAKE目前的水平不能算“令人滿意”。

2007年2月，《自然》雜志發(fā)表了一項(xiàng)研究成果，該研究在82厘米的電子束驅(qū)動等離子體尾波加速器中，實(shí)現(xiàn)了電子平均每米加速520億電子伏特[2]，這一能量梯度是AWAKE目前能量梯度的260倍，加速總能量也是AWAKE加速總能量的21倍。2014年11月，《自然》雜志還以封面論文的形式發(fā)表關(guān)于驗(yàn)證高效率低能散尾波加速方案的成果[3]，證實(shí)了電子束驅(qū)動尾波在高品質(zhì)加速方面的優(yōu)勢。

激光驅(qū)動的尾波加速器常見的加速梯度在每米1000億電子伏特左右。魯巍表示，當(dāng)前，加速的能量紀(jì)錄約 70億電子伏特，而實(shí)現(xiàn)這一加速只需要0.1米左右較高密度的等離子體和一臺普通房間大小的超短超強(qiáng)激光器。

“和一般尾波加速器超出傳統(tǒng)加速器百倍到萬倍的加速梯度相比，AWAKE目前的加速梯度略顯微不足道。”魯巍說。

不過，電子束或激光驅(qū)動的尾波加速器雖然加速梯度更大，但AWAKE副發(fā)言人Matthew Wing表示，要獲得超高能量，電子束或激光驅(qū)動的尾波加速器有必要將一個(gè)個(gè)較短的等離子體腔連接到一起，而實(shí)現(xiàn)這些腔體的高品質(zhì)級聯(lián)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

記者了解到，在接下來的5年里，AWAKE的研究人員希望提高加速器的梯度，使得加速器在10米到20米內(nèi)達(dá)到大約1000億電子伏特。

挑戰(zhàn)之二是電子注入俘獲效率問題。魯巍表示，AWAKE目前實(shí)現(xiàn)電子束注入的俘獲效率在0.1%以下，即每1000個(gè)電子從傳統(tǒng)的電子加速器出來，只有不到1個(gè)能被注入到等離子體腔里。

當(dāng)然，俘獲效率低的問題并非AWAKE獨(dú)有。2016年2月，《自然》雜志發(fā)表了美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)兩個(gè)腔體級聯(lián)的成果[4]，但從第一個(gè)腔體中穿出的電子注入到第二個(gè)腔體時(shí)，效率只有3%至5%。

之所以如此，是因?yàn)楸蛔⑷氲碾娮邮獜目讖椒浅Ｐ〉亩蠢锎┻M(jìn)第二個(gè)腔體，就好比要將一根棉線快速穿進(jìn)一根繡花針，想穿得又快又準(zhǔn)是很難的。

不過，注入俘獲效率并非尾波加速器難以逾越的障礙。魯巍向記者透露，目前清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)取得突破，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)加速器到激光尾波加速器的級聯(lián)與加速，并獲得了接近100%注入俘獲效率。8月中旬，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀在美國舉辦的先進(jìn)加速概念國際大會(AAC)上就該成果作了大會報(bào)告。

雖然AWAKE面臨諸多挑戰(zhàn)，但從近年來尾波加速相關(guān)研究突破不斷的態(tài)勢看，新的突破仍值得期待。

“未來5至10年，尾波加速的一般應(yīng)用將在世界范圍內(nèi)迎來高潮。未來20年，超高能尾波加速器也將逐步走向成熟。”魯巍表示，在非高能加速領(lǐng)域，激光尾波、電子束驅(qū)動尾波加速器的關(guān)鍵技術(shù)已日趨成熟，有望在3至5年內(nèi)在科研和工業(yè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)初步應(yīng)用，而面向高能物理應(yīng)用的超高能尾波加速器，則需要更長的時(shí)間發(fā)展和完善。

相關(guān)論文信息：

[1] DOI:10.1038/s41586-018-0485-4

[2] DOI：10.1038/nature05538

[3] DOI：10.1038/nature13882

[4]DOI: 10.1038/nature16525

(中國核技術(shù)網(wǎng) 責(zé)任編輯：楊洋)