粒子加速实现了跨越式发展

粒子加速实现了跨越式发展
位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室CERN的AWAKE加速器360度拍摄。
对于想要研究作为宇宙基本构件的亚原子粒子并了解它们如何相互作用的物理学家来说,粒子加速器 – 一种加速和激发粒子并使它们碰撞的大型装置 – 是一个非常重要的工具。想象一下加速器作为一个山的大小的显微镜,能够研究存在的最小的东西。
“加速器是最终的显微镜,” 加利福尼亚州门洛帕克SLAC国家加速器实验室的物理学家Mark J. Hogan在一封电子邮件中解释道。“它们的分辨能力与粒子束的能量成正比。目前在能量边界运行的机器是人类工程的纪念碑。这些机器在几十公里的范围内控制它们的光束到人类头发直径的一小部分。 “
 这就是为什么使用加速器,更大的一直更好。如果你甚至是一个随意的科学爱好者,你可能已经听说过它们的大爸爸加速器,欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC),欧洲的瑞士日内瓦附近的粒子物理实验室。可能是有史以来最复杂的机器,大型强子对撞机有一个17英里(27.35公里)的巨大轨道,用于加速粒子。科学家在2012年使用大型强子对撞机来观察希格斯玻色子,这个粒子有助于解释为什么其他粒子具有质量以及为什么物体结合在一起。
更小,更便宜
然而,真正的大粒子加速器的一个问题是它们非常昂贵且消耗大量电力。例如,大型强子对撞机只需要41亿美元建造。因此,物理学家真正喜欢拥有的是一种完成工作的方式,这种工作并不是那么庞大和昂贵。
这就是为什么欧洲核子研究中心的研究人员通过质子驱动的等离子体尾场加速成功测试了一种将电子加速到高能量的新方法,令人兴奋不已。该方法涉及使用强烈的质子团块在等离子体中产生波,这是一种电离原子汤。然后电子乘坐波浪加速,好像它们是亚原子级的冲浪者。
在5月份的高级韦克菲尔德实验(AWAKE)测试中,欧洲核子研究中心的研究人员设法使用该方法在10米(32.8英尺)的距离内将电子加速到2千兆电子伏特(GeV)的能量。
这是一个视频,其中CERN AWAKE的项目负责人Edda Gschwendtner 解释了加速器的概念,以及为什么蛋白质驱动的等离子体尾场加速器是如此重大的突破:
其他研究人员对CERN的成就表示赞赏。“这项技术可以让欧洲核子研究中心的设施有一种新的紧凑方式来产生高能电子,可以与固定目标或质子束碰撞,为粒子物理学家提供一种新的工具来理解基本粒子和控制它们相互作用的力量,”霍根说。
“这一结果对高能物理学的未来非常重要,因为它可以为基于等离子体尾场加速的紧凑型1 TeV电子加速器开辟道路,” 加州大学洛杉矶分校加速器和光束动力学教授James Rosenzweig解释说道。该大学的粒子束物理实验室。“从引入物理原理的角度来看,这个实验是第一个 – 它引入了质子束激发的等离子体尾场。
“在等离子体加速器中发现的关键优势在于可以支持的大型加速电场 – 比传统加速器大1000倍。质子的使用原则上允许具有更大可用总能量的光束用于加速,”Rosenzweig通过电子邮件说。
Hogan的SLAC团队开发了一种不同的等离子体尾场加速方法,该方法依赖于插入等离子体的一束电子来产生其他电子可以骑行的波。但无论使用哪种方法,等离子体都提供了一种克服传统加速器约束的方法。
“尽管这些机器具有精确性和成功率,但它们正在接近社会所能承受的尺寸和成本极限,”Hogan说。“对于加速电子的机器,尺寸与我们可以为颗粒增加能量的最大速率有关。使用传统技术和金属结构,我们无法进一步提高这个速度,因为磁场变得如此之大,以至于材料在等离子体,电离气体,已经被分解并且可以支撑更大的场,并且当被适当地操纵时,可以以更大的速率向粒子束添加能量,因此原则上以更小的占地面积到达能量边界。
“许多团体已经证明我们可以使用等离子体来制造高能量的电子束,”Hogan说。“下一代研究的大部分内容都是为了证明我们可以做到这一点,同时制造质量和稳定性相当于传统技术的光束。其他研究问题正在考虑如何将许多连续的等离子体细胞连续组合在一起以达到非常高的水平。高能量。另外的挑战是了解如何加速正电子,等效于等离子体中电子的反物质。展望未来,包括SLAC同事在内的许多团体希望开发具有卓越品质的高能束,为新的科学仪器打开大门。未来十年及以后。“
AWAKE的一位发言人告诉“ 科学”杂志,研究人员希望在未来五年内开发这项技术,以便将其用于粒子物理研究。
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