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谁来拯救玩不起的高能物理:光纤激光点亮未来粒子加速器

2013-08-20 08:52
林契于宸
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  ——迟早,这些野心将会陷入困境——除非一些花费彻底便宜下来的新加速器技术得以实现。

  在不断发展的高能物理隧道的尽头,光还会是光吗?该领域对更强大加速器的追求正在与社会为其支付费用的意愿相冲突。

  高额投入带来困境

  瑞典日内瓦附近的欧洲核子研究组织(CERN)中的大型强子对撞机(LHC)拥有27公里长的圆形隧道,探测器和教堂差不多大,其费用有将近100亿美元。接下来,物理学家想要建造一个31公里长的国际直线对撞机,费用高达250亿美元,并且他们还在探讨建造更大的机器和更长的隧道。迟早,这些野心将会陷入困境——除非一些花费彻底便宜下来的新加速器技术得以实现。然而,一个欧洲物理学家团队在简单的光纤激光器中看到了希望。

  几十年前,研究人员就已经知道激光脉冲可以加速带电粒子,但直到几年前,他们才能用该方法产生足够高质量的粒子束。余下需要克服的问题就是数量:能够在合理的效率下,以足够高的重复率产生足够强烈脉冲的激光并不存在。

  现在,一些欧洲物理实验室的联盟称,它们可以在不建造一个新的高能激光机器的情况下满足必要的条件。这就需要使用光纤激光器——它们是电信行业的主力,并将其所有的产出结合成为一个超级粒子束。在欧盟为其长达18个月的试点项目投资50万欧元后,这些实验室使用64个光纤激光器顺利合并光束。如果欧盟下一个7年研究预算允许(目前尚未敲定),他们希望用成千上万个光纤扩展建成一个全尺寸的激光器。

  循序渐进的尝试

  物理学家不仅到达了国家预算的极限,同时也到了技术的极限。为了寻找新的物理现象,他们最终会加速轻子——比如电子和正电子——至超过5TeV(5万亿电子伏特)的能量。不过,若想使用今天的技术到达这一步,将耗费数百兆瓦(MW)的电力,相当于一个中型电站的所有输出。“没有技术可以为超过5TeV的轻子对撞机服务。”法国原子能委员会实验室的Roy Aleksan如是说。其难题在于,目前用于加速离子的无线电波无法提供足够大的动力,因此需要大量连续的微波腔以达到高能量。而这些微波腔并不能很有效地将插接电转化为电子束功率。

  30多年前,美国加州大学洛杉矶分校的John Dawson和Toshiki Tajima提出了一个截然不同的策略:在激光激起的等离子体中对粒子进行加速。等离子体本质上是一种带电粒子(离子和电子)的气体。如果一个高能激光脉冲发射到等离子体中,激光的电场会排除那些很轻的电子,而更重的离子则很少移动,其尾流中就会有缺乏电子的正电荷泡沫,随后会出现一个负电荷(在电子重新涌入时形成)区域。结果就会形成一个和脉冲前进方向平行的强大电场。这种“尾流电场”可以大幅加速电子——来自等离子体的电子或是专门注入其中加以利用的电子。

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