利用等离子态的质子来加速电子的方法

科学家们第一次找到了利用等离子态的质子来加速电子的方法。

意义不同凡响，因为它可能是我们将来制造出更小更便宜的粒子加速器所迈出的第一步。

现在，如果你想在自家后院造一台大型强子对撞机(LHC)式的粒子加速器，你需要建起一条长约27英里的混凝土隧道和价值50亿美元的备用更换的设备。

但是最新的实验使用了一种被称为等离子体尾流场加速的技术——它只需要10米。

日内瓦欧洲核子研究中心高级质子驱动等离子体加速器加速实验(AWAKE)背后的团队经过五年的努力，终于有所收获。虽然目前还处于早期测试阶段，但最终它可能会大幅度地改良粒子加速器设备，而加速器是研究宇宙最基础现象的最重要的工具。

研究人员说：“我们的结果是开发未来的高能粒子加速器的重要一环。”

现有的粒子加速器(如大型强子对撞机)，内部包含真空的部分被称为空腔，有振荡的电场产生两个相反的带电区域，激发粒子束达到高能级。然后用电磁场控制粒子的运动路线，使它们撞在一起。通过它们崩裂的碎片和电磁波辐射来一窥亚原子粒子内部的构造。

所以为了使粒子达到高能，需要很长的“加速助跑”空间。

在新技术中，超热等离子体发射的质子束有点像螺旋桨的叶片推动水流——产生强烈电场的泡泡就是所谓的尾流场。

如果使电子束在恰当的时机穿过等离子体容器，与电场完美同步，则电子就像冲浪者始终站在潮头，从而在短距离内达到极高的速度。

“我认为很快就能实现最高能量的电子束。”英国伦敦大学学院的物理学家和AWAKE的发言人Matthew Wing称。

尾流场并不是一个新鲜的概念——自20世纪70年代以来，一直都是热点课题，但这是第一个成功使用质子作为初始“驱动流”的实验，而以往通常使用的是激光或电子。

为了实现他们的目标，需要借助CERN的超级质子同步加速器(SPS)获得质子——SPS是一段7公里长的管子，它还为大型强子对撞机提供质子。现在还不得不用到SPS，所以我们还没有办法在自己后院按照粒子加速器，但未来的发展趋势无疑是非常喜人的。

在10米距离内，电子被加速到2 GeV(千兆电子伏特)。这比现有的电子加速器的输出功率要小很多，后者可以产生6 GeV乃至更高的能量；目前的记录是13 TeV，或13000 GeV，由大型强子对撞机所保持。

但是，大型强子对撞机这样的设施至少需要几十公里长(实际上，大型强子对撞机要长得多)。研究人员认为质子等离子体的前景更为宽广。

接下来的步骤是优化实验步骤，以使它们更高效地工作且能够赋予粒子更高的能量。这一过程可能需要5到10年的时间，但我们已经在路上了。

“我们期待从实验中收获更多的结果，以证明等离子态尾流场技术才是未来粒子加速器的基础。”Gschwendtner说。

论文发表在Nature上。

本文译自 sciencealert，由 majer 编辑发布。