科学家首次利用质子驱动的等离子体波实现电子的加速

▲AWAKE合作项目的电子射束线路。

2018年5月26日凌晨，欧洲核子研究中心（CERN）的AWAKE合作项目，首次成功地利用质子快速穿过等离子体时产生的等离子体尾波场加速了电子。该研究的重要研究成果于8月29日发表在《自然》杂志上。AWAKE是“高级尾波场实验”（Advanced WAKEfield Experiment）的英文缩写，这是一个原理循证研究性质的研发项目，致力于研究如何利用质子驱动等离子体尾波场，来将电子加速到比利用传统技术能达到的更高能量水平。与传统加速器不同的是，在尾波场加速器中，粒子是通过在等离子体波(或称为尾波场)上“冲浪”来实现加速的。

该研究报告称，在10米的长度内，这些电子被加速了100倍左右：它们带着约19兆电子伏特的能量被从外部注入AWAKE实验系统中，然后获得了约为20亿电子伏特的能量。尽管该实验仍处于发展的早期阶段，对等离子体尾波场的使用可以大大减小加速器的尺寸，从而降低实现物理学家探测自然基本定律所需的高能碰撞的实验成本。欧洲核子研究中心早在2013年就批准了这个项目，但是直到5年后的今天才第一次成功展示AWAKE中的电子加速，这对于实现上述宏伟愿景迈出了重要的第一步。

其实，等离子体尾波场本身并不是一个新事物，早在20世纪70年代末就有物理学家提出了这一概念。AWAKE合作项目的发言人艾伦·考德威尔（Allen Caldwell）解释道：“尾波场加速器有两种不同的射束：一种是作为加速目标、被称为‘见证射束’的粒子束，而生成尾波场本身的射束被称为‘驱动光束’。”之前的尾波场加速实验都依赖于运用电子或激光作为驱动射束，而AWAKE是第一个使用质子作为驱动射束的实验，欧洲核子研究中心也为验证这个概念提供了绝佳机会。与电子和激光驱动射束相比，质子驱动射束可以更深入地穿透等离子体。”考德威尔补充道：“因此，尾波场加速实验依靠质子来作为驱动射束，这样可以使见证光束加速到穿越更远的距离，从而让它们获得更高的能量。”

迄今为止，研究人员们已经证明他们具备了利用质子驱动的等离子体尾波场来加速电子的能力，AWAKE团队着力于在未来开发更多的成果。AWAKE的物理协调员帕特里克·马格里（Patric Muggli）介绍道：“我们的下一步计划包括为物理实验提供加速电子，并通过一个完整的物理程序扩展这个项目。”在2018年余下的时间里，AWAKE团队将继续测试尾波场加速电子的能力。明年，欧洲核子研究中心的整个加速器综合体将关闭两年以进行建筑和设备的升级和维护。该中心的AWAKE项目主管埃达·盖斯温特娜（Edda Gschwendtner）乐观地展望道：“我们期待从实验中获得更多的结果，以证明等离子体尾波场的能力范围将是打造未来粒子加速器的基础。”

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编译：朱明逸 审稿：阿淼 责编：张梦

期刊来源： 《自然》

期刊编号： 0028-0836

原文链接： https://phys.org/news/2018-08-electrons-proton-driven-plasma.html

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