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CERN准备测试尾波场加速器
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世界上最大的粒子加速器大型强子对撞机的老家正得到一台新机器——而这一次，整个重点是使它变小。
在9月18日，支配瑞士日内瓦附近的CERN(欧洲首要粒子物理实验室)理事会批准了一项实验计划的资金推动，它叫做高级尾场实验(AWAKE)。预计明年开机，AWAKE会通过让粒子在等离子中创造出的电荷波浪上“冲浪”来加速它们。这种方法可以让未来的加速器在更高能量上刺探自然界的物质和力量，而没有通常伴随的仪器尺寸和成本增长。
尽管正在计划一旦LHC在30年代走到其生命期尽头会建造更大的机器，很多人担心加速器大小已经趋于极限，这样的方案也许因为太昂贵而无法实现。
“当你看着这些机器的成本估计和尺度，你就明白也许需要一个新突破，”德国汉堡高能物理实验室DESY的加速器物理学家Nick Walker说。
传统对撞机，如27公里长的大型强子对撞机，使用电场使带电粒子通过隧道；电场以一定频率正负切换，使得粒子总是被向前推动，每次推动都获得能量。但这种对撞机使用金属腔壁，如果电场太强就会打火花。作为结果，继续增加粒子速度，也就是其能量的唯一办法就是加长隧道。
最初在七十年代被提出的等离子体尾场加速器，被设计来打破这个怪圈，德国慕尼黑普朗克物理研究所的物理学家Allen Caldwell说道。他将领导AWAKE实验，他们发射带电粒子脉冲或激光通过等离子体，使得电子和带正电的离子在其尾波场里振荡，导致的正负电荷交替区域形成进一步加速带电粒子的波。在正确的时机注入时，这些粒子实际上就是在波上冲浪。最重要的是，因为该电场比传统对撞机强得多，相同距离上的加速可以放大1,000倍。
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这种加速器的原型存在于世界各地的设施中，但AWAKE将是CERN第一次试验该技术。“CERN目前是全世界的高能物理实验室，而且它已决定这是一个重要涉及领域的事实是对该社区的一点肯定，”加州门罗公园SLAC国家加速器实验室的加速器物理学家Mark Hogan说。
不同团队有不同的使等离子体震荡的方法：例如SLAC的Hogan团队使用电子脉冲。AWAKE将是使用质子脉冲的第一个，这有一些巨大优势。
由于质子比电子具有更大质量，每个质子脉冲能更深地穿透到等离子体中，建立一系列较长的带电区域，这反过来又提供了更大的每脉冲加速。而一台质子机器也与加速和碰撞质子的大型强子对撞机兼容。
“CERN已决定这是一个重要涉及领域的事实是对该社区的一点肯定。”
现在，AWAKE使用输往LHC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。
来自CERN的最新投资——价值260万瑞士法郎(270万美元)，来自目前承诺给该实验的2140万瑞士法郎总额——目的是允许AWAK在2018年底前测试该概念，CERN安排在那时关闭加速器进行升级。成功将取决于这些质子束(创建等离子体波所需要的远亲)是否能被有效地剁成短脉冲。
最终，有可能把经过LHC加速的更高能量质子注入等离子体尾场机器进一步加速。Hogan估计一台仅仅几公里长的机器相比计划中的下一台传统加速器，31公里长的国际线性加速器可以产生6倍能量的电子。
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尽管有这样的希望，等离子加速器离实用还有几十年，因为要比现有加速器做得更好，它们在效率上也必须能够匹敌——在高能量和高产率上供应聚焦的加速粒子，Walker说，不过他补充道，“现在，这是我唯一看到可能有效的事情。”
该技术在其他地方也可能有用。尾场加速的电子可以驱动X射线自由电子激光，用短到足以捕获分子运动的强大光脉冲来探测物质。这些目前都有几公里长，但使用尾场技术也许能使它们放进实验室或医院地下室。“我认为这是一个更现实的潜在应用，”Walker说，“而且我会说这是在尝试实现高能物理实验前的必经一步。”
