10 GeV里程碑實驗揭示激光-等離子體相互作用的真相

主要要點

• 激光-等離子體加速器有可能在某一天顯著減小高能物理、醫學、材料科學等領域中使用的粒子加速器的尺寸和成本。

• BELLA研究人員利用拍瓦激光達到了激光-等離子體加速器的一個關鍵里程碑：在30厘米內加速高質量的10 GeV電子束，這在能量和質量上都比之前的努力有了顯著的改善。

• 新的實驗設置和精確的控制使研究人員能夠研究激光-等離子體的演變，並從一個“無暗電流”的加速結構中創建高效的束流，這意味著沒有背景電子分散激光的能量。

科學家利用一對激光和超音速的氣體噴霧，在不到一英尺的距離內將電子加速到高能量。這一進展標誌著激光-等離子體加速器技術的重大進步，這種方法為製造緊湊型高能粒子加速器提供了希望，可能在粒子物理學、醫學和材料科學等領域應用。

在即將發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters）期刊的一項新研究中，研究團隊成功地將高質量的電子束加速至超過100億電子伏特（10吉電子伏特，或GeV）在30厘米的距離內。（該研究的預印本可以在在線存儲庫arXiv中找到。）該研究由美國能源部的洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）主導，與馬里蘭大學的合作者合作進行。這項研究在伯克利實驗室激光加速器中心（BELLA）進行，該中心在2019年創下了20厘米內8 GeV電子的世界紀錄。這項新實驗不僅提高了束流能量，還首次在這一能量水平上產生高質量束流，為未來的高效加速機器鋪平了道路。

“我們從8 GeV躍升到10 GeV，但我們還通過改變使用的技術顯著提高了質量和能量效率，”該研究的首席作者、伯克利實驗室加速器技術與應用物理部門（ATAP）的研究科學家亞歷克斯·皮克斯利（Alex Picksley）表示。“這是在通往未來基於等離子體的對撞機的里程碑式進展。”

激光-等離子體加速器（LPA）利用等離子體——由帶電粒子（包括電子）組成的氣體混合物。通過在幾個千萬億分之一秒內給等離子體施加強烈的能量沖擊，研究人員可以創造出強大的波。電子乘坐這一等離子體波的波峰，像海浪中的衝浪者一樣獲得能量。

這一新結果使用了一種雙激光系統，這一系統得益於2022年在BELLA完成的第二條光束線。在這個系統中，第一個激光像鑽頭一樣加熱等離子體，並形成一個通道，引導隨後的“驅動”激光脈沖，進而加速電子。等離子體通道像光纖一樣引導激光能量，保持激光脈沖在更長距離內的聚焦。

過去，研究人員使用固定長度的玻璃或藍寶石管，稱為“毛細管”，來塑造等離子體。但在這次新成果中，團隊轉向了一種利用一系列氣體噴射裝置的系統，這些噴射裝置排成一排，就像燃氣壁爐中的噴頭一樣。這些噴流創造了一片以超音速行駛的氣體，激光通過這片氣體以形成一條等離子體通道。這種設置允許研究人員對其等離子體進行微調並改變其長度，使他們能以無與倫比的精確度在不同階段研究這一過程。

“在此之前，等離子體基本上是一個黑箱子，”在BELLA的ATAP部門工作的理論和激光-等離子體加速器建模的科學家卡洛·本尼迪蒂（Carlo Benedetti）說。“你知道你投入了什麼，最後出來了什麼。這是我們首次能夠在每個時刻捕捉加速器內部發生的事情，顯示出激光和等離子體波如何演變，並且是高功率、一幀一幀地進行觀察。”

這一知識使研究人員能夠比較他們的模型和實驗，增強他們對理解所涉及物理學的信心，並提供調整加速器的工具。為了模擬激光-等離子體相互作用，專家們使用一種名為INF&RNO的代碼，這是一種在BELLA開發的代碼。這些複雜的計算是在伯克利實驗室的國家能源研究科學計算中心（NERSC）進行的。這些新發現幫助驗證了用於這些模擬的代碼，進一步強化了模型。

氣體噴射系統還有另一個好處：韌性。由於氣體薄膜沒有易損壞的部件，該技術可以擴展到非常高的重複性率，這是實驗室正在為未來的粒子對撞機和應用進行的研究目標。

研究人員還顯示，他們的方法製造出一束“無暗電流”的束流，這意味著等離子體中的背景電子未被無意中加速。

“如果有暗電流，它們會消耗激光能量，而不是加速你的電子束，”ATAP部門的科學家、負責BELLA實驗計劃的副主任雅倫·凡·蒂尔博格（Jeroen van Tilborg）表示。“我們已經達到了一個可以控制我們的加速器並抑制不必要影響的地步，所以我們正在製造高質量的束流而不浪費能量。這對於我們考慮未來理想的激光加速器至關重要。”

這項技術擁有廣泛的潛在應用。例如，它可以用於產生粒子束，用於癌症治療。或者，它可以為自由電子激光提供能量，這種激光類似於原子顯微鏡，幫助創造先進材料並深入了解化學和生物過程。

“我們在啟用這些緊湊型加速器的應用方面邁出了重要一步，”負責BELLA加速器工作的ATAP科學家安東尼·剛薩雷斯（Anthony Gonsalves）表示。“對我來說，這一結果的美妙之處在於我們消除了對形狀的限制，這些限制限制了效率和束流質量。我們建立了一個可以實現重大改進的平台，並準備實現激光-等離子體加速器的驚人潛力。”

隨著能量的提高，激光-等離子體加速器可能在基本物理和其他領域應用。在近期，LPA可以用於產生穆子束，這有助於成像難以探索的區域，包括古代金字塔等建築結構、火山或礦床等地質特徵，或核反應堆的內部。從長遠來看，這項技術可以驅動更高能量的粒子對撞機，將帶電粒子碰撞在一起，尋找新粒子並深入了解我們宇宙基礎中的力量。BELLA的研究人員正在努力開發這些高能量機器，通過在分階段加速器系統中連接基礎元件來實現。

“將不同階段結合在一起為我們提供了一條現實的道路，以在10至100 GeV之間產生電子，並為未來能達到10 TeV（太電子伏特）的粒子對撞機奠定基礎，”BELLA中心主任埃里克·埃薩雷（Eric Esarey）說。“一旦一個階段的激光能量耗盡，我們就會發送新的激光脈沖，讓電子能量在各階段之間串聯增強。”

為了創建分階段系統，研究人員需要良好的診斷工具。這可以幫助他們理解等離子體、激光和電子束的行為，並精確控制在極短的時間內發生的步驟的時間和同步。

“通過這項研究，我們在非常短的距離內提升了高質量束流的粒子能量，以及我們製造這些束流的效率，這得益於精確的診斷工具，讓我們對激光-等離子體進行了很好的控制，”伯克利實驗室ATAP部門主任卡梅隆·蓋迪斯（Cameron Geddes）表示。“推進激光-等離子體加速器技術已被美國粒子物理項目優先小組（P5）和美國能源部的先進加速器發展戰略認定為一個重要目標。這一成果是我們通往將改變我們科學研究方式的分階段加速器的一個里程碑。”

這項工作得到了美國能源部科學辦公室、高能物理辦公室以及國防高級研究計劃局（DARPA）的支持，並使用了國家能源研究科學計算中心（NERSC），這是美國能源部科學辦公室的用戶設施。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於專注於發現科學和提供豐富可靠能源供應的創新研究。該實驗室的專業知識涵蓋材料、化學、物理、生物學、地球與環境科學、數學和計算等領域。來自世界各地的研究人員依賴該實驗室世界一流的科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，已獲得16項諾貝爾獎。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。