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    新的激光技術將有助于制造功能更強大且只有桌面大小的粒子加速器

    來源:孜然實驗室 發布時間:2020-04-08

    該圖描繪了LLE研究人員概述的方法,該方法利用強激光整形以使電子在非常短的距離內加速到更高能量。一個超短脈沖(黃色)向右傳播并從一個放射狀梯形(最右邊的元素)反射,控制每個環在從無軸突(axiparabolla)(最左邊的元素)反射之后聚焦的時間。圖片:H. Palmer and K. Palmisano

    通過觀察已被加速到極高能量的電子,科學家們能夠解開有關組成我們宇宙的粒子的線索。

    但是,在實驗室環境中將電子加速到如此高的能量是一項挑戰:通常,電子能量越高,粒子加速器越大。例如,為了發現希格斯玻色子(最近觀察到的負責宇宙質量的“上帝粒子”),瑞士歐洲核子研究組織實驗室的科學家使用了27公里長的粒子加速器。

    但是,如果有一種方法可以縮小粒子加速器的尺寸,在短距離內產生高能電子呢?

    在《物理評論快報》上發表的一篇論文中,羅切斯特大學激光能量學實驗室(LLE)的科學家概述了一種形成強激光的方法,該方法可以使電子在很短的距離內加速到創紀錄能量:研究人員估計,加速器僅為類似能量裝置裝置的萬分之一,從而將加速器從羅德島(Rhode Island)的長度減少到餐桌的長度。有了這樣的技術,科學家們可以進行桌面實驗來探測希格斯玻色子,或者探索額外的維度和新的粒子,最終也許能實現愛因斯坦夢想的大統一理論。

    LLE的科學家,論文的主要作者約翰·帕拉斯特羅(John Palastro)說:“研究基本粒子物理學需要更高能的電子。電子加速器為宇宙基本組成部分所居住的亞原子世界提供了窺鏡。”

    盡管目前這項研究只是理論上的研究,但LLE正在努力通過計劃在LLE上建造世界上功率最高的激光器來使其成為現實。這款名為EP-OPAL的激光器將使研究人員能夠創建出本文所述的極其強大的雕刻光脈沖和技術。

    研究人員概述的電子加速器依靠一種革命性的技術來雕刻激光脈沖的形狀,以使它們的峰值傳播的速度快于光速。

    LLE的資深科學家,論文的作者之一達斯汀·弗洛拉(Dustin Froula)說:“這項技術可以使電子加速到超過現有技術所能達到的水平。”

    為了雕刻激光脈沖,研究人員開發了一種新穎的光學裝置,類似于圓形劇場,具有波長大小的“臺階”,用于在從高功率激光器發出的同心圓光之間產生時間延遲。

    典型的透鏡將來自激光的每個光圈聚焦到距透鏡的單個距離,從而形成一個高強度光的單點。但是,研究人員沒有使用典型的透鏡,而是使用了形狀奇特的透鏡,這使他們可以將每個光環聚焦到距透鏡不同的距離,從而形成一條高強度的線,而不是一個光點。

    當經過雕刻的光脈沖進入等離子體(自由移動的電子和離子的熱湯)時,它會產生喚醒,類似于摩托艇啟動時的狀況。這種喚醒以光速傳播。就像滑水者在船尾滑行一樣,電子隨后在經過雕刻的激光脈沖時加速。

    這些“激光尾波加速器”(LWFA)于40年前首次被理論化,并通過線性調頻脈沖放大(CPA)激光器的發明得到了發展。線性調頻脈沖放大是LLE的2018年諾貝爾獎獲得者唐娜·史翠克蘭(Donna Strickland)和杰拉德·穆魯(Gerard Mourou)共同開發的技術。

    但是,以前版本的激光尾波加速器使用的是傳統的,非結構化的光脈沖,其傳播速度比光速慢,這意味著電子將超越尾流,從而限制了其加速度。新的雕刻光脈沖使能快于光的速度,從而電子可以無限期地喚醒和被連續加速。

    電子持續獲得能量

    LLE的主管邁克爾·坎貝爾說:“這項工作極富創新性,將改變激光加速器的游戲規則。這項研究表明,與杰出的激光科學家和工程師緊密合作,理論和實驗等離子體物理學的價值-代表了LLE文化的精華。”


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