科學家首次實現在質子驅動等離子體波中加速電子

　　分析測試百科網訊 近日，歐洲核子研究中心的科學家們成功利用質子驅動等離子體產生的波加速了電子。

　　“我們已經將粒子加速到比現有技術更大的能量和更短的距離，這可能導致加速器長度大大減少，因此成本增加。”AWAKE-UK的主要調查員Matthew Wing教授（UCL物理與天文學）解釋道。“這是實現高能量碰撞以探索自然基本規律的關鍵一步。”

　　在20世紀70年代等離子體波-或尾流場被認為有可能在未來幾十年內大幅減小加速器的尺寸。

　　AWAKE代表Advanced WAKEfield Experiment，它是一個原理驗證緊湊型加速器項目，用于在短距離內將電子加速到非常高的能量。UCL為AWAKE和今天的發現做出了重大貢獻，它提供了磁譜儀，這是用于測量加速電子的關鍵儀器，從設計到最終數據分析和發布。

　　“自從我們開始解決測量加速電子的問題已經過去了五年，”AWAKE光譜儀設計師Simon Jolly博士（UCL物理與天文學）說。“能夠使用我們的儀器觀察電子加速度是非常令人滿意的，并證明了研究它的團隊的努力。”

　　在AWAKE中，銣被加熱以將其轉化為氣體，然后用激光束電離以形成稱為等離子體的特殊物質狀態。被稱為“驅動光束”的質子束與激光脈沖一起被注入并使等離子體以波狀圖案振蕩，就像在水中移動的船在其尾流中產生振蕩一樣。

　　驅動光束內的質子以來自歐洲核子研究中心的超級質子同步加速器的400 GeV（十億電子伏特）的能量進入AWAKE，這是該鏈中最后一個為大型強子對撞機提供質子的加速器。

　　稱為“見證光束”的電子束以微小角度注入到振蕩等離子體中，并通過沖擊等離子體波來加速。 5月26日，AWAKE合作首次成功加速了目擊電子。

　　在光譜儀中觀察這些加速電子的原理很簡單，電子在磁場中彎曲，高能電子彎曲的能量低于低能量電子。光譜儀磁鐵根據它們的能量展開電子：然后它們擊中屏幕，使其發光。從產生的光圖案中我們可以看到電子加速到了什么能量。“

　　以約19 MeV（百萬電子伏特）的相對低能量注入AWAKE的電子，乘以等離子體波，并且加速了大約100倍，在僅僅10米的長度上達到近2 GeV（十億電子伏特）的能量。

　　雖然先前的尾場加速實驗依賴于使用電子或激光來驅動尾跡，但AWAKE是世界上第一個使用質子的實驗。

　　“推動質子束穿透等離子體比驅動電子束和激光束更深。因此，依靠質子作為驅動光束的尾流加速器可以加速電子更遠的距離，從而使它們獲得更高的能量。”AWAKE合作發言人德國馬克斯普朗克物理研究所的Allen Caldwell教授說。

　　Wing教授總結道：“我們正致力于設計下一階段的實驗，以實現更高的能量，更好的光束質量和更長的長度的可擴展性，從而提高能量。最終目標是將這項技術應用于新的粒子物理實驗，其中加速器的長度和成本將大大降低。“

　　STFC科學項目負責人Grahame Blair教授說：“我要祝賀AWAKE合作取得這一令人振奮的成果！ AWAKE已成功證明，通過使用高能質子束作為驅動器，電子可以在10米內加速到2 GeV。測量的加速梯度明顯高于傳統加速器所能達到的速度，并為全新的實驗和應用提供了令人興奮的前景。“