在藍(lán)寶石管內(nèi)部形成的等離子體通道的電子密度分布圖。圖片來源：物理學(xué)家組織網(wǎng)

近日，美國伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)刷新了激光等離子加速器產(chǎn)生能量的世界紀(jì)錄：在20厘米長的等離子體內(nèi)產(chǎn)生了能量高達(dá)78億電子伏特(7.8GeV)的電子束，是以前世界紀(jì)錄的2倍，而使用常規(guī)技術(shù)需要約91米長的等離子體才能獲得如此高的能量。

為了更好地理解我們的宇宙，科學(xué)家需要建立粒子對撞機(jī)，以便將電子及其反物質(zhì)正電子加速到太電子伏特(TeV，萬億電子伏特)。但使用傳統(tǒng)技術(shù)，做到這一點(diǎn)需要非常龐大且昂貴的機(jī)器，比如長達(dá)32公里的對撞機(jī)。因此，為縮小此類機(jī)器的尺寸并降低成本，必須提高粒子的加速度——即它們在給定距離范圍內(nèi)獲得的能量大小。

等離子體有望在這一領(lǐng)域“大顯身手”——帶電的粒子波(等離子波)可以通過其電場提供這種加速度。在激光等離子加速器中，等離子波由強(qiáng)烈的激光脈沖產(chǎn)生，其電場強(qiáng)度可能是傳統(tǒng)加速器電場強(qiáng)度的數(shù)千倍。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)10月21日報(bào)道，在最新研究中，伯克利實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)正是在20厘米長的等離子體內(nèi)產(chǎn)生了能量高達(dá)78億電子伏特的電子束。

研究人員通過使用新型等離子體波導(dǎo)抵消激光脈沖的自然擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了這一壯舉。在此等離子體波導(dǎo)中，充滿氣體的藍(lán)寶石管被觸發(fā)放電從而形成一個(gè)等離子體，而一臺“加熱器”激光脈沖在中間“揪出”一些等離子體，使其密度降低，從而使激光聚焦。等離子體通道的強(qiáng)度足以保持聚焦激光脈沖被限制在20厘米長的加速器內(nèi)。

研究人員之一、安東尼·貢薩爾維斯博士說：“加熱束使我們能夠控制驅(qū)動激光脈沖的傳播。未來我們計(jì)劃進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)，希望能夠更精確地控制等離子體波中的電子注入，以獲得更高質(zhì)量的電子束，并將多個(gè)階段耦合在一起，從而獲得更高能量。”