CERN首次實現質子束驅動的尾波電子加速

　　 在科幻小說《三體》中，三體人用“智子”干擾人類粒子加速器，以便阻礙地球人的發展。估計在三體人眼中，粒子加速器算得上是人類科技發展最得力的工具了。

　　一直以來，人類對于升級改造加速器樂此不疲。5月26日凌晨，在歐洲核子研究中心（CERN），新一代加速器——AWAKE項目，在世界上首次通過質子束穿越等離子體產生尾波場，并成功演示了電子束的注入與加速。8月29日，這項研究成果發表于《自然》雜志[1]。

　　AWAKE項目名為“先進尾波場實驗”，是新一代高能加速器的原理論證研發項目，致力于研究如何通過高能質子束驅動的尾波場使電子束在短距離內獲得高能量。

　　“這個進展是高能尾波加速器發展的一個里程碑。不過，作為尾波加速器的新成員，AWAKE未來需要在高梯度、高效率、高品質加速等方面進一步展示其發展潛力。”清華大學工程物理系教授、等離子體尾波加速專家魯巍告訴《中國科學報》記者。

　　沖個浪 活力旺

　　自從20世紀發明粒子加速器以來，加速器不僅是人類探知微觀世界的觸角，也改變了人類的生產生活方式，比如說加速器可以為癌癥患者殺死癌細胞，可以給牛奶盒、薯片袋封口等。

　　不過，對于高能粒子物理來說，粒子加速器能量越高，越能幫助人類發現“超乎想象”的物理現象，因此，提升加速器能量一直是科學家們的追求。

　　傳統的加速器要想讓粒子被加速得更快，就必須給粒子更長的跑道，因此，知名的加速器基本都是幾百米甚至幾公里的龐然大物，歐洲大型強子對撞機（LHC）的粒子加速器，周長27公里，可以讓被加速后的粒子以近乎光速對撞。

　　近幾十年，科學家開始想辦法另辟蹊徑，系統地發展一種可以將加速器小型化的新技術——尾波加速器。

　　在上世紀70年代末到80年代初，美國加州大學洛杉磯分校的等離子體物理泰斗John Dawson教授和他的同事提出了“尾波加速”的概念。

　　尾波加速器的工作原理是讓高能帶電粒子束或強激光在等離子體中“沖浪”。科學家先做一個充滿電離氣體的腔體，并將帶電粒子束或者激光射進這個腔體。當電子束或超短超強激光以接近光速的速度在稀薄的等離子體介質里傳播時，會在等離子體里留下類似船劃過水面一樣的尾跡，這就是尾波。接著，他們再將另一束粒子射進“波浪”，讓粒子束跟著“浪潮”向前沖，實現加速。

　　費米國家實驗室教授周為仁告訴《中國科學報》記者，如果能夠研制成功，尾波加速器可以讓粒子在每1米獲得的能量（即加速梯度）比傳統加速器高很多，如此一來，加速器就可以造得很小。

　　目前，尾波加速器主要采用電子束驅動和激光驅動，而AWAKE項目是由高能質子束驅動的尾波加速器研究項目，可謂尾波加速器領域的“新成員”。

　　“比起電子束驅動和激光驅動，超高能質子束可以在等離子體中傳得更遠，因此，高能質子束驅動的尾波有可能讓電子束的加速距離更遠，獲得的能量更高。”AWAKE項目發言人Allen Caldwell說。

　　跑十米 快百倍

　　AWAKE項目擁有一條長為10米、充滿電離氣體的等離子體腔。當一束高能質子注入腔體時，質子穿過等離子體，吸引自由電子并產生尾波場，“海浪”就產生了。然后，另一束電子被注入其中，部分電子會被尾波場俘獲，實現加速。

　　2013年，CERN批準了這個項目，5年后的今天，項目終于第一次用質子“造”出了“浪”。

　　“CERN之所以關注高能質子束驅動的尾波加速器，主要是因為CERN擁有世界上能量最高的質子加速器，如果能夠通過尾波有效地將質子束能量轉換給電子束，就有望獲得1000億電子伏特級或更高能量的電子束，而超高能量電子束對于高能粒子物理研究很有意義。”魯巍說。

　　魯巍告訴記者，AWAKE的主要潛在優勢是其驅動質子束的超高能量，而高能量意味著能夠在同樣的等離子體中傳播更遠。

　　除了成功用質子“造浪”之外，AWAKE還將電子加速了100倍左右。被加速的電子在注入前是1900萬電子伏特，電子跟著等離子體“沖浪”了10米之后，被加速到20億電子伏特。

　　“AWAKE證明，它可以實現平均每米加速2億電子伏特的目標。”AWAKE的技術協調員及CERN項目負責人Edda Gschwendtner告訴記者，相比之下，目前傳統電子加速器通常只能給電子每米加速3000萬電子伏特至1億電子伏特。

　　超高能 在路上

　　在專業人士看來，AWAKE仍需解決一系列重要挑戰。

　　一項挑戰是加速梯度問題，即電子每米能加速的能量。有科學家認為，如果從電子的加速梯度看，AWAKE目前的水平不能算“令人滿意”。

　　2007年2月，《自然》雜志發表了一項研究成果，該研究在82厘米的電子束驅動等離子體尾波加速器中，實現了電子平均每米加速520億電子伏特[2]，這一能量梯度是AWAKE目前能量梯度的260倍，加速總能量也是AWAKE加速總能量的21倍。2014年11月，《自然》雜志還以封面論文的形式發表關于驗證高效率低能散尾波加速方案的成果[3]，證實了電子束驅動尾波在高品質加速方面的優勢。

　　激光驅動的尾波加速器常見的加速梯度在每米1000億電子伏特左右。魯巍表示，當前，加速的能量紀錄約 70億電子伏特，而實現這一加速只需要0.1米左右較高密度的等離子體和一臺普通房間大小的超短超強激光器。

　　“和一般尾波加速器超出傳統加速器百倍到萬倍的加速梯度相比，AWAKE目前的加速梯度略顯微不足道。”魯巍說。

　　不過，電子束或激光驅動的尾波加速器雖然加速梯度更大，但AWAKE副發言人Matthew Wing表示，要獲得超高能量，電子束或激光驅動的尾波加速器有必要將一個個較短的等離子體腔連接到一起，而實現這些腔體的高品質級聯是一個挑戰。

　　記者了解到，在接下來的5年里，AWAKE的研究人員希望提高加速器的梯度，使得加速器在10米到20米內達到大約1000億電子伏特。

　　挑戰之二是電子注入俘獲效率問題。魯巍表示，AWAKE目前實現電子束注入的俘獲效率在0.1%以下，即每1000個電子從傳統的電子加速器出來，只有不到1個能被注入到等離子體腔里。

　　當然，俘獲效率低的問題并非AWAKE獨有。2016年2月，《自然》雜志發表了美國勞倫斯伯克利國家實驗室實現兩個腔體級聯的成果[4]，但從第一個腔體中穿出的電子注入到第二個腔體時，效率只有3%至5%。

　　之所以如此，是因為被注入的電子束要從孔徑非常小的洞里穿進第二個腔體，就好比要將一根棉線快速穿進一根繡花針，想穿得又快又準是很難的。

　　不過，注入俘獲效率并非尾波加速器難以逾越的障礙。魯巍向記者透露，目前清華大學研究團隊已經取得突破，實現了從傳統加速器到激光尾波加速器的級聯與加速，并獲得了接近100%注入俘獲效率。8月中旬，研究團隊應邀在美國舉辦的先進加速概念國際大會（AAC）上就該成果作了大會報告。

　　雖然AWAKE面臨諸多挑戰，但從近年來尾波加速相關研究突破不斷的態勢看，新的突破仍值得期待。

　　“未來5至10年，尾波加速的一般應用將在世界范圍內迎來高潮。未來20年，超高能尾波加速器也將逐步走向成熟。”魯巍表示，在非高能加速領域，激光尾波、電子束驅動尾波加速器的關鍵技術已日趨成熟，有望在3至5年內在科研和工業等領域實現初步應用，而面向高能物理應用的超高能尾波加速器，則需要更長的時間發展和完善。