使用冷等离子体和大型野餐篮缩小粒子加速器

SLAC 国家加速器实验室科学家 Spencer Gessner 在地下 25 英尺处打开了一个大型金属野餐篮。这不是典型的装满奶酪、面包和水果的野餐篮，它包含螺钉、螺栓、钢管和许多其他零件，这些零件和零件可以以接近光速的速度携带颗粒。这些组件的精确排列是为了完成一项重要的工作：帮助将大量快速移动的电子输送到构成太阳的物质中：等离子体。

“我们正试图在这里建造下一代小型、强大的粒子加速器，”盖斯纳说。“我们的目标是在更短的距离内将粒子推向更高的能量。这可以帮助设计适合大学实验室或医院内部的紧凑型加速器，或者成为未来高能粒子对撞机的一种选择。”

Gessner 和 SLAC 以及世界各地的许多其他研究人员希望未来的加速器比传统加速器小 100 到 1,000 倍。目标不一定是取代世界上最强大的加速器设施，而是为寻求加速器科学的人和地方提供新的选择，并有可能增强现有最先进的加速器。例如，较小、功率较低的 X 射线自由电子激光器 (XFEL) 可能成为更多科学家手中探索原子尺度物质的先进科学工具。

Gessner 在 SLAC 的高级加速器实验测试设施 II (FACET-II) 工作，该设施主要专注于一种称为等离子体尾场加速的技术。在等离子体尾场加速中，研究人员通过等离子体发送粒子束，等离子体是一种极热的电离气体，通常由氦或氢离子组成，就像太阳一样。

盖斯纳说：“当光束穿过等离子体时，就会产生尾流，类似于在湖面上快速行驶的船后面产生的尾流。” “然后我们可以将电子注入等离子体尾流中，这些粒子在波上行驶，在更短的距离内达到更高的能量。”

FACET-II 使用 SLAC 两英里长的直线加速器的一部分来产生这些电子束。在峰值时，光束非常强烈，任何材料都无法承受。光束的极端场会将电子从原子上撕下来，并立即蒸发光束路径中的任何材料。解决方案是首先从等离子体开始，这消除了传统材料的限制并允许非常高的加速度。

但在较短的距离内将粒子推向极高的能量会带来许多具有挑战性的问题。研究人员在解决这些问题并将听起来像科幻小说的事情变成现实方面不断取得进展。

等离子体加速研究的过去和未来

SLAC的等离子体尾场加速实验工作大约二十年前就开始了，尽管自 20 世纪 70 年代末和 80 年代初以来，论文中一直在讨论一般概念。世界各地正在进行三种主要类型的等离子体尾场研究，按产生尾流的电源分组：电子束、高功率激光束或质子束。

FACET-II 主任马克·霍根 (Mark Hogan) 表示，研究人员必须回答的首要问题之一是是否有可能在实验室中将等离子体尾场的理论想法变为现实。研究人员在 SLAC 于 20 世纪 90 年代末完成了这项任务，并且是第一个突破 GeV 屏障的人，GeV 的能量水平通常只与超大规模装置相关。他们获取了少量电子，并使用等离子体尾场将它们加速到非常高的能量。

霍根说，研究人员随后面临着下一个大问题：如何从少量能量分布广泛的粒子转变为能量分布相对较低的粒子束。这意味着确保电子不会分散在加速器中的各处，而是紧密地一起行进。Hogan 说，研究人员于 2010 年代在 FACET(FACET-II 之前的设施)完成了这项任务。

霍根说：“因此，现在 FACET-II 面临的问题是，你能否同时完成所有这些事情——利用大场产生低能量扩散的高能光束——并在更长的距离上产生高质量的光束。” 。“这是我们目前在 FACET-II 正在研究的一个关键问题：当我们在有意义的距离上非常快速地提高电子束的能量时，我们能否保持电子束的质量?”

展望更远的未来，科学家们将需要弄清楚如何将许多等离子体加速器部分连接在一起，以获得未来对撞机粒子物理学所需的令人难以置信的高能量。霍根说：“要构建依赖于等离子体尾场加速的 XFEL，你可能只需要一个等离子体级，而要达到粒子对撞机级别的能量，则需要许多级。”

控制光束亮度

今年早些时候，来自SLAC、斯特拉斯克莱德大学等机构的团队在等离子体尾场加速研究方​​面取得了重大进展。他们开发了一种计算机模拟，展示了等离子体加速器如何通过控制电子束的亮度来产生精确、高质量的电子束。

管理光束亮度具有挑战性，因为三个关键参数值在粒子行进的路径上会发生很大的变化。该团队的模型展示了如何从实验一开始(当光束仍处于等离子体中时)优化这些参数。

具体来说，研究团队计算了如何通过控制束流来管理电子亮度，束流描述了组成束流的电子数量;发射率，即电子在空间中传播时的扩散方式;和能量扩散，它描述了电子速度的范围。他们在《自然通讯》上发表了他们的研究结果。

“通过这个模型，我们可以测试如何在紧凑的设计中提高电子束发射率和亮度，也许可以提高几个数量级，”该论文的合著者霍根说。“从等离子体加速器中提取电子束，同时保持其质量对于我们的高能物理任务以及 X 射线科学至关重要。”

未来，研究人员将尝试构建紧凑型 XFEL 的混合配置，该版本可以允许多个 X 射线激光脉冲和超亮光束之间的相互作用。研究人员表示，既然从头到尾的模拟框架已经建立，FACET-II 可能成为测试这些混合想法的地方。

搭建一个长长的舞台

最近，等离子体尾场加速研究又向前迈进了一步，研究人员展示了如何将等离子体加速器级串联起来，制造出更长、更强大的加速器。这种类型的加速器将来可用于在粒子对撞机上产生极高能的束流。

该研究团队包括 SLAC 科学家 Alexander Knetsch 和巴黎理工学院的研究人员以及其他直觉人士，展示了如何使用多个驱动光束来保持光束质量并增加能量。

在他们的方法中，驱动束引导穿过等离子体，产生尾流——等离子体尾流场加速的标准理念。在驱动束后面跟随主电子束，称为尾电子束，它将被推至高能量以进行实验——这也是标准方法。但随着时间的推移，驱动梁会失去能量，就像领头的自行车手在为后面的骑手对抗风后失去能量一样。因此，研究小组展示了如何用新的、新鲜的驱动梁替换旧的、疲惫的驱动梁。这项技术有助于尾随电子束继续获得能量。

然而，将旧驱动梁更换为新驱动梁比更换自行车比赛中的领先自行车手更困难。旧的驱动光束仍然以接近光速的速度移动，因此为了进行切换，该方法使用形成减速弯道的偶极磁铁，即两条道路，一条比另一条长，在分离后相遇。减速弯允许驱动梁移开，而尾梁则继续使用新的驱动梁。

此外，研究人员还展示了如何使用聚焦透镜将光束组传输通过每个等离子体级，从而在驱动光束交换发生时帮助尾随光束保持在路径上。研究人员在九月份的《物理评论快报》上发表了一篇描述这一想法的论文。

另一个紧凑型加速器的想法

除了等离子体尾场加速之外，研究人员对于在较短距离内加速粒子的方法还有其他想法。其中一个想法将在亚利桑那州立大学 (ASU) 与 SLAC 的 Emilio Nanni 等人合作实现。该设计使用激光(而不仅仅是磁铁)来摆动 XFEL 内部的电子，以产生实验所需的强大 X 射线。

在传统的 XFEL 中，强磁铁摆动粒子束以产生 X 射线。磁体线可能很长，这意味着 FEL 的总长度也会很长。但是，如果 FEL 不需要一整套磁铁来使粒子舞动并发射 X 射线辐射呢?这个问题促成了紧凑型 XFEL 的设计，它使用激光束撞击粒子束，帮助光束摆动并产生强大的 X 射线。激光器意味着可能需要更少的摆动磁铁，如果这个想法在实践中得以实现，那么整体 FEL 就会更短。

紧凑型 XFEL 将在未来五年内在亚利桑那州立大学坦佩校区建造。研究人员表示，建造小型、更紧凑的加速器对科学来说是一件好事。这样做意味着更多的人和地方可以使用粒子加速器，粒子加速器是过去 100 年来科学领域最重要的工具之一。

行尾

回到加速器隧道内，斯宾塞·盖斯纳合上野餐篮的盖子，走向一张长桌。在这里，SLAC 科学家 Doug Storey 站着，在笔记本电脑上工作，检查光束性能数据。斯托里说，该表称为束流转储表，它是主要的后等离子体诊断区域，用于测量等离子体尾场加速后 电子束发生的情况。

“可以说，这张桌子就是橡胶与道路的交汇处，”他说。“它有许多诊断摄像机，可以测量成功演示等离子体尾场加速所需的关键参数。”

桌子上的摄像头看起来就像十字路口的停车标志。它们安装在杆上并面向不同方向，每个收集有关加速光束能量的不同类型的数据(精确到百分之一以内)和光束光斑尺寸(精确到几微米)，这些数据是光束亮度的关键指标，斯托里说。此外，一些相机还可以观察光束穿过等离子体时产生的 X 射线和伽马射线。斯托里说，这些信息有助于科学家了解如何提高等离子体加速的质量。

斯托里回头看了看他的笔记本电脑，然后又开始工作。盖斯纳从他身边走过，回到设施的起点。他引领着走出加速器的道路，下一代更小、更强大的加速器正在酝酿之中。