近日，伯克利實(shí)驗(yàn)室激光加速器（Berkeley Lab Laser Accelerator，BELLA）研究者利用世界上最強(qiáng)大的激光器對亞原子粒子進(jìn)行加速，使其達(dá)到了打破小型加速器紀(jì)錄的最高能量狀態(tài)。
美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Lab，BerkeleyLab）研究組利用petawatt激光和等離子體加速粒子。該裝置稱之為激光等離子體加速器（laser-plasma accelerator），科學(xué)家相信該裝置將把幾英里長的傳統(tǒng)加速器縮小到桌面大小。
研究者將粒子置入9厘米長的等離子管中，使其加速到4.25GeV。在如此短的距離內(nèi)，粒子獲得的能量是傳統(tǒng)粒子加速器的1000倍，刷新了激光等離子體加速器的加速紀(jì)錄。
伯克利實(shí)驗(yàn)室加速器技術(shù)與應(yīng)用物理部門（Accelerator Technology and Applied Physics Division）帶頭人、論文的第一作者Wim Leemans博士說道：“這是精確控制激光與等離子體的結(jié)果。”此研究發(fā)表于Physical Review Letters雜志。
傳統(tǒng)粒子加速器體積巨大，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（Large Hadron Collider）直徑17英里，通過調(diào)節(jié)金屬腔內(nèi)的電場對粒子進(jìn)行加速，其加速上限為每米100MeV。
激光等離子體加速器采用了不同的方法。在實(shí)驗(yàn)中，一束激光被注入裝有等離子體且又短又細(xì)的中空管中，激光在等離子體中形成通道和捕捉電子的波，并將電子加速到高能狀態(tài)。這與沖浪者從波浪表面滑下以增大速度的原理類似。
通過使用伯克利實(shí)驗(yàn)室激光加速器，研究人員刷新了粒子加速的世界紀(jì)錄。自2014年起，BELLA已經(jīng)得到了10的15次方瓦特的高能粒子。
伯克利實(shí)驗(yàn)室物理科學(xué)部門實(shí)驗(yàn)副主任James Symons博士說：“此次Leemans博士和他的團(tuán)隊(duì)取得了卓越的成就，他們第一次操作BELLA就刷新了紀(jì)錄。”
BELLA不僅激光能量威力驚人，而且在操作的精確性上也聲名卓著。“在14米以內(nèi)，我們將激光的直徑控制在500微米以內(nèi)。”Leemans說，“我們可以很好地使用BELLA，因?yàn)樗l(fā)出的激光穩(wěn)定性很高。” Leemans表示，激光脈沖在射出后一秒內(nèi)，就會衰減到原來的百分之幾。他補(bǔ)充道：“如果激光束足夠多，就可以避免這一問題。”
由于能量太高，研究者需要了解各種因素分別如何影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他們在美國國家能源研究科學(xué)計算中心（National Energy Research Scientific Computing Center，NERSC）進(jìn)行計算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)。“小小的改變都會帶來巨大的變化。”伯克利實(shí)驗(yàn)室加速科技與應(yīng)用物理部門資深科學(xué)顧問Eric Esarey說道，“我們正在向更好的控制加速器的研究方向邁進(jìn)。”
為了將粒子加速到更高的能量（Leemans團(tuán)隊(duì)的近期目標(biāo)是10GeV），研究者需要更精確地操控等離子體通道的濃度。也就是說，研究者需要創(chuàng)造出構(gòu)造更合適的通道以處理能量更高的電子。Leemans說，他們將在未來的工作中展示關(guān)于等離子體通道構(gòu)造的新技術(shù)。
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