美國能源部(DOE)所屬的勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室近日在其官網(wǎng)發(fā)文稱，科學(xué)家將第一個(gè)激光脈沖加熱并通過等離子體進(jìn)行“鉆孔”，科學(xué)家將粒子置入幾十厘米長的管中，幾乎使以前的激光驅(qū)動(dòng)粒子加速記錄翻了一倍。
在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的激光等離子體實(shí)驗(yàn)正在推動(dòng)更緊湊和更經(jīng)濟(jì)的粒子加速，為高能機(jī)器提供動(dòng)力 - 如X射線自由電子激光器和粒子碰撞器 - 可以讓研究人員更清楚地看到分子、原子、甚至亞原子粒子的尺度。
在伯克利實(shí)驗(yàn)室激光加速器（BELLA）中心使電子加速到7.8 GeV的新紀(jì)錄，超過了BELLA 在2014年宣布的4.25 GeV結(jié)果。最新研究詳見2月25日的《物理評論快報(bào)》期刊。記錄結(jié)果是在2018年夏天實(shí)現(xiàn)的。
該實(shí)驗(yàn)使用了極其強(qiáng)烈和短的“驅(qū)動(dòng)”激光脈沖，每個(gè)脈沖的峰值功率約為850萬億瓦特，并且脈沖長度約為35千萬億分之一秒（35飛秒）。峰值功率相當(dāng)于同時(shí)點(diǎn)亮大約8.5萬億個(gè)100瓦的燈泡，盡管燈泡只能點(diǎn)亮幾十飛秒。
每一個(gè)強(qiáng)烈的激光脈沖都會(huì)產(chǎn)生一股沉重的“kick”，在等離子體內(nèi)產(chǎn)生一股波 - 這種氣體已被加熱到足以產(chǎn)生帶電粒子的氣體，包括電子。電子順著等離子體的波峰，就像順著海浪的沖浪者一樣，在20厘米長的藍(lán)寶石管內(nèi)達(dá)到破紀(jì)錄的能量。
“僅僅制造大型等離子體波是不夠的，”最新研究的第一作者Anthony Gonsalves指出。“我們還需要在20厘米管的整個(gè)長度上創(chuàng)建這些波，以便將電子加速到如此高的能量。”
要做到這一點(diǎn)，需要一個(gè)等離子通道，它將激光脈沖限制在與光纖通道光線相同的方式。但與傳統(tǒng)光纖不同，等離子體通道可以承受加速電子所需的超強(qiáng)激光脈沖。為了形成這樣的等離子體通道，需要在中間使等離子體密度較小。
在2014年的實(shí)驗(yàn)中，放電用于產(chǎn)生等離子體通道，但為了達(dá)到更高的能量，研究人員需要等離子體的密度分布更深 - 因此它在通道中間密度較小。在之前的嘗試中，激光失去了緊密的焦點(diǎn)并損壞了藍(lán)寶石管。Gonsalves指出，即使激光束聚焦的較弱區(qū)域 - 即所謂的“翅膀” - 也足以用先前的技術(shù)破壞藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)。
BELLA中心主任Eric Esarey表示，這個(gè)問題的解決方案受到了20世紀(jì)90年代的一個(gè)想法的啟發(fā)，即使用激光脈沖加熱等離子體并形成通道。這項(xiàng)技術(shù)已被用于許多實(shí)驗(yàn)，包括2004年伯克利實(shí)驗(yàn)室的努力，產(chǎn)生了高達(dá)100 MeV的高質(zhì)量光束。
參與最新工作的團(tuán)隊(duì)和2004年的團(tuán)隊(duì)和均由前ATAP和BELLA中心主任Wim Leemans領(lǐng)導(dǎo)，他現(xiàn)在在德國的DESY實(shí)驗(yàn)室工作。研究人員意識到，將兩種方法結(jié)合起來 - 將加熱器束放在微管中心 - 可進(jìn)一步加深和縮小等離子體通道。這為實(shí)現(xiàn)更高能量的光束提供了前進(jìn)的道路。
在最新的實(shí)驗(yàn)中，Gonsalves表示：“放電使我們能夠精確控制加熱器激光脈沖的等離子體條件。放電時(shí)間、加熱器脈沖和驅(qū)動(dòng)脈沖是至關(guān)重要的。”
這種組合技術(shù)從根本上改善了激光束的限制，保留了激光束的強(qiáng)度和焦距，并且當(dāng)它穿過等離子管時(shí)，其光斑尺寸或直徑僅限于幾十分之一米。這使得能夠使用較低密度的等離子體和較長的通道。之前的4.25 GeV記錄使用了9厘米的通道。
該團(tuán)隊(duì)需要新的數(shù)值模型（代碼）來開發(fā)該技術(shù)。包括伯克利實(shí)驗(yàn)室，俄羅斯Keldysh應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所和捷克共和國ELI-Beamlines項(xiàng)目在內(nèi)的合作改編并整合了多個(gè)代碼。他們將在Keldysh研究所開發(fā)的MARPLE和NPINCH結(jié)合起來，模擬了通道的形成; 在BELLA中心開發(fā)的INF和RNO用于模擬激光 - 等離子體相互作用。
INF＆RNO的首席開發(fā)人員Carlo Benedetti表示：“這些代碼幫助我們快速了解了最大的不同之處 - 能夠?qū)崿F(xiàn)指導(dǎo)和加速的因素是什么。” 他指出，一旦顯示的代碼與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，就可以更容易地解釋實(shí)驗(yàn)。
Gonsalves稱：“現(xiàn)在正處于模擬可以引導(dǎo)并告訴我們下一步該做什么的時(shí)刻。”
Benedetti指出，代碼中的繁重計(jì)算利用了伯克利實(shí)驗(yàn)室的國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心（NERSC）的資源。未來推進(jìn)更高能量加速的工作可能需要更加密集的計(jì)算，這種計(jì)算接近稱為百億億次計(jì)算的制度。
Esarey則表示：“今天，產(chǎn)生的光束可以產(chǎn)生和捕獲正電子。”他指出，BELLA的目標(biāo)是在電子加速中達(dá)到10 GeV能量，未來的實(shí)驗(yàn)將針對這個(gè)閾值甚至更高。他表示：“未來，電子加速的多個(gè)高能階段可以耦合在一起，實(shí)現(xiàn)電子 - 正電子對撞機(jī)，以新的精度探索基礎(chǔ)物理。”
加州大學(xué)伯克利分校和俄羅斯國家核研究大學(xué)的研究人員也參與了這項(xiàng)研究。這項(xiàng)工作也得到了能源部科學(xué)辦公室，亞歷山大·馮·洪堡基金會(huì)和國家科學(xué)基金會(huì)的支持。
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