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激光等离子加速器再破纪录 20厘米内产生了能量高达78亿电子伏特的电子束

近日,美国伯克利实验室的研究团队刷新了激光等离子加速器产生能量的世界纪录:在20厘米长的等离子体内产生了能量高达78亿电子伏特(7.8GeV)的电子束,是以前世界纪录的2倍;而使用常规技术将需要约91米长的等离子体才能获得如此高的能量。

为了更好地理解我们的宇宙,科学家需要建立粒子对撞机,以便将电子及其反物质正电子加速到太电子伏特(TeV,万亿电子伏特)。但使用传统技术,做到这一点需要非常庞大且昂贵的机器,比如长达32公里的对撞机。因此,为缩小此类机器的尺寸并降低成本,必须提高粒子的加速度——即它们在给定距离范围内获得的能量大小。

等离子体有望在这一领域“大显身手”——带电的粒子波(等离子波)可以通过其电场提供这种加速度。在激光等离子加速器中,等离子波由强烈的激光脉冲产生,其电场强度可能是传统加速器电场强度的数千倍。

据物理学家组织网10月21日报道,在最新研究中,伯克利实验室团队正是在20厘米长的等离子体内产生了能量高达78亿电子伏特的电子束。

在蓝宝石管内部形成的等离子体通道的电子密度分布图

该等离子体通道用于产生等离子体波并在20厘米范围内将电子加速至近80亿eV

图片来源:物理学家组织网

研究人员通过使用新型等离子体波导抵消激光脉冲的自然扩散,实现了这一壮举。在此等离子体波导中,充满气体的蓝宝石管被触发放电从而形成一个等离子体;而一台“加热器”激光脉冲在中间“揪出”一些等离子体,使其密度降低,从而使激光聚焦。等离子体通道的强度足以保持聚焦激光脉冲被限制在20厘米长的加速器内。

研究人员之一、安东尼·贡萨尔维斯博士说:“加热束使我们能够控制驱动激光脉冲的传播。未来我们计划进行更多实验,希望能够更精确地控制等离子体波中的电子注入,以获得更高质量的电子束,并将多个阶段耦合在一起,从而获得更高能量。”

总编辑圈点

加速器可以将巨大的能量累积到微小粒子上,再让粒子迎头对撞。一般来说,加速器需要一个圆形的巨大轨道。如果学会方寸间快速发力,那就像功夫里的“寸拳”,大大增强了加速器的威力。目前世界上有一些建造下一代加速器的想法,或为直线或为环形,如果能应用更优越的加速机制,那么下一代加速器的可行性将明显增加。

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