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激光等离子体加速器刷新纪录

伯克利实验室激光加速器（Berkeley Lab Laser Accelerator，BELLA）

实验中使用一条9厘米长的毛细放电波导生成高能量的电子束。使用高动态范围（High Dynamic Range，HDR）摄影技术可以更清晰地看到等离子体羽流。

图片来源：Roy Kaltschmidt

译审 YC Zhang
原文发表于 2014.12.8

研究者利用世界上最强大的激光器对亚原子粒子进行加速，使其达到了打破小型加速器纪录的最高能量状态。

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Lab，BerkeleyLab）研究组利用petawatt激光和等离子体加速粒子。该装置称之为激光等离子体加速器（laser-plasma accelerator），科学家相信该装置将把几英里长的传统加速器缩小到桌面大小。

研究者将粒子置入9厘米长的等离子管中，使其加速到4.25GeV。在如此短的距离内，粒子获得的能量是传统粒子加速器的1000倍，刷新了激光等离子体加速器的加速纪录。

伯克利实验室加速器技术与应用物理部门（Accelerator Technology and Applied Physics Division）带头人、论文的第一作者Wim Leemans博士说道：“这是精确控制激光与等离子体的结果。”此研究发表于Physical Review Letters杂志。

传统粒子加速器体积巨大，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（Large Hadron Collider）直径17英里，通过调节金属腔内的电场对粒子进行加速，其加速上限为每米100MeV。

激光等离子体加速器采用了不同的方法。在实验中，一束激光被注入装有等离子体且又短又细的中空管中，激光在等离子体中形成通道和捕捉电子的波，并将电子加速到高能状态。这与冲浪者从波浪表面滑下以增大速度的原理类似。

通过使用伯克利实验室激光加速器，研究人员刷新了粒子加速的世界纪录。自2014年起，BELLA已经得到了10的15次方瓦特的高能粒子。

伯克利实验室物理科学部门实验副主任James Symons博士说：“此次Leemans博士和他的团队取得了卓越的成就，他们第一次操作BELLA就刷新了纪录。”

BELLA不仅激光能量威力惊人，而且在操作的精确性上也声名卓著。“在14米以内，我们将激光的直径控制在500微米以内。”Leemans说，“我们可以很好地使用BELLA，因为它发出的激光稳定性很高。” Leemans表示，激光脉冲在射出后一秒内，就会衰减到原来的百分之几。他补充道：“如果激光束足够多，就可以避免这一问题。”

由于能量太高，研究者需要了解各种因素分别如何影响实验结果。他们在美国国家能源研究科学计算中心（National Energy Research Scientific Computing Center，NERSC）进行计算机模拟实验。“小小的改变都会带来巨大的变化。”伯克利实验室加速科技与应用物理部门资深科学顾问Eric Esarey说道，“我们正在向更好的控制加速器的研究方向迈进。”

为了将粒子加速到更高的能量（Leemans团队的近期目标是10GeV），研究者需要更精确地操控等离子体通道的浓度。也就是说，研究者需要创造出构造更合适的通道以处理能量更高的电子。Leemans说，他们将在未来的工作中展示关于等离子体通道构造的新技术。