德俄制造新一代對(duì)撞機(jī) 更小更便宜更強(qiáng)大(圖)

???【搜狐科學(xué)消息】　據(jù)美國(guó)《連線》雜志報(bào)道，按照粒子物理學(xué)原則，越大的機(jī)器，越激烈的物理學(xué)家就能原子彼此撞擊，打開來原子世界最深層的謎團(tuán)。但一項(xiàng)創(chuàng)新性的新技術(shù)將最終讓這些龐大粒子加速器成為過去。

????通過模擬，一支德國(guó)和俄羅斯物理學(xué)家率先開發(fā)一種粒子加速的新技術(shù)，稱之“質(zhì)子驅(qū)動(dòng)等離子體尾場(chǎng)加速”。此技術(shù)將會(huì)打造出現(xiàn)今加速器的迷你版，稱為質(zhì)子驅(qū)動(dòng)

????粒子物理學(xué)的進(jìn)步以粒子加速器的威力而論，但建造強(qiáng)大的加速器需要很大的投資，由于政府財(cái)力緊張，英美二國(guó)于去年12月都不再考慮被提議的耗資70億美元的國(guó)際線性加速器（ILC）。因此，為了解答物理學(xué)中最偉大的問題，物理學(xué)家只能尋找根本上創(chuàng)新的辦法來加速粒子?？嫉峦柤捌渫孪Ｍ|(zhì)子驅(qū)動(dòng)等離子體尾場(chǎng)加速器能為鋪平道路。

????目前有二種辦法能讓加速器增強(qiáng)威力，一是制造更加強(qiáng)大的電場(chǎng)，二是加大粒子加速的距離。目前，我們已經(jīng)采用了最強(qiáng)大的電場(chǎng)。而另一種辦法會(huì)導(dǎo)致建造更大的加速器，如美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Fermilab)的兆電子伏特加速器(Tevatron,又稱同步回旋加速器)和歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。然而，最高能量的電子需要線性軌道，如美國(guó)斯坦福線性加速器中心的國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和此被提議的國(guó)際線性加速器。

????由于有持續(xù)的圓周加速，質(zhì)子加速器更為強(qiáng)大。但電子加速器因更加精確而顯得尤為重要。而等離子體尾場(chǎng)加速器可以兼顧雙方。這種激進(jìn)的新型加速器通過利用等離子體氣體來打造強(qiáng)大電場(chǎng)，其強(qiáng)度是傳統(tǒng)加速器電場(chǎng)強(qiáng)度的大約一千倍，這意味著此加速器可以縮短一千倍。在等離子體尾場(chǎng)加速器中，緊湊的電子束被射入等離子體中，就像機(jī)關(guān)槍射出的子彈，能將等離子體中的電子“脫離”等離子體的原子核，沖向四面八方。結(jié)果是，這些帶正電的原子核成了沒有電子的等離子體泡泡，而帶負(fù)電的被驅(qū)逐的電子被拉回帶正電的等離子體泡泡。

????當(dāng)這些帶負(fù)電的電子快速拉回等離子體泡泡時(shí)，它們就會(huì)越過其原來的出發(fā)位置，因此，此粒子子彈將產(chǎn)生一波又一波的錯(cuò)位電子，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的電場(chǎng)。而且，這些電子在很短的距離內(nèi)就能獲得強(qiáng)大的能量。在2007年，斯坦福線性加速器中心、加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校和南加州大學(xué)聯(lián)手證實(shí)了等離子體尾場(chǎng)加速器的潛力：在僅僅一米內(nèi)，他們能讓電子在斯坦福線性加速器中心的線性軌道上快速加速，其強(qiáng)度能達(dá)到電子在整個(gè)2英里（合3.2公里）長(zhǎng)加速器中所達(dá)到的強(qiáng)度的二倍。

????不過，這種加速器也有其局限性，其加速電子的最大能量由其粒子束的能量而定。目前，斯坦福線性加速器中心的任何加速器所產(chǎn)生的能量最強(qiáng)大的電子為500億電子伏特。因此，考德威爾及其同事決定用質(zhì)子代替電子來爆破等離子體，從而讓等離子體尾場(chǎng)加速器出現(xiàn)新的突破。畢竟，現(xiàn)今的加速器能讓質(zhì)子比電子攜帶更多的能量。比如，兆電子伏特加速器（Tevatron）中的質(zhì)子可以達(dá)到1萬億電子伏特，是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中質(zhì)子強(qiáng)度的7倍。

????在數(shù)值模擬中，考德威爾小組使用質(zhì)子驅(qū)動(dòng)的等離子體尾場(chǎng)加速器在300米的等離子體氣體中來加速電子束，可以將它們加速5千億電子伏特。相對(duì)之下，國(guó)際線性加速器至少得需要9英里（合14.4公里）的距離才能達(dá)到相同的目標(biāo)，而斯坦福線性加速器中心的線性加速器則需要10倍的距離才能達(dá)到其十分之一的能量強(qiáng)度。如果將此新型質(zhì)子驅(qū)動(dòng)的等離子體尾場(chǎng)加速和大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中的高能質(zhì)子束相結(jié)合，考德威爾表示這將能使電子加速到幾萬億電子伏特，因此物理學(xué)家能讓加速器既具備他們所需的威力和又能達(dá)到他們所需的精確度。（元元）