德俄制造新一代對撞機 更小更便宜更強大(圖)

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

????通過模擬，一支德國和俄羅斯物理學家率先開發(fā)一種粒子加速的新技術，稱之“質子驅動等離子體尾場加速”。此技術將會打造出現(xiàn)今加速器的迷你版，稱為質子驅動

????粒子物理學的進步以粒子加速器的威力而論，但建造強大的加速器需要很大的投資，由于政府財力緊張，英美二國于去年12月都不再考慮被提議的耗資70億美元的國際線性加速器（ILC）。因此，為了解答物理學中最偉大的問題，物理學家只能尋找根本上創(chuàng)新的辦法來加速粒子。考德威爾及其同事希望質子驅動等離子體尾場加速器能為鋪平道路。

????目前有二種辦法能讓加速器增強威力，一是制造更加強大的電場，二是加大粒子加速的距離。目前，我們已經采用了最強大的電場。而另一種辦法會導致建造更大的加速器，如美國費米國家實驗室(Fermilab)的兆電子伏特加速器(Tevatron,又稱同步回旋加速器)和歐洲的大型強子對撞機。然而，最高能量的電子需要線性軌道，如美國斯坦福線性加速器中心的國家加速器實驗室和此被提議的國際線性加速器。

????由于有持續(xù)的圓周加速，質子加速器更為強大。但電子加速器因更加精確而顯得尤為重要。而等離子體尾場加速器可以兼顧雙方。這種激進的新型加速器通過利用等離子體氣體來打造強大電場，其強度是傳統(tǒng)加速器電場強度的大約一千倍，這意味著此加速器可以縮短一千倍。在等離子體尾場加速器中，緊湊的電子束被射入等離子體中，就像機關槍射出的子彈，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，而帶負電的被驅逐的電子被拉回帶正電的等離子體泡泡。

????當這些帶負電的電子快速拉回等離子體泡泡時，它們就會越過其原來的出發(fā)位置，因此，此粒子子彈將產生一波又一波的錯位電子，從而產生強大的電場。而且，這些電子在很短的距離內就能獲得強大的能量。在2007年，斯坦福線性加速器中心、加利福尼亞大學洛杉磯分校和南加州大學聯(lián)手證實了等離子體尾場加速器的潛力：在僅僅一米內，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，其強度能達到電子在整個2英里（合3.2公里）長加速器中所達到的強度的二倍。

????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生的能量最強大的電子為500億電子伏特。因此，考德威爾及其同事決定用質子代替電子來爆破等離子體，從而讓等離子體尾場加速器出現(xiàn)新的突破。畢竟，現(xiàn)今的加速器能讓質子比電子攜帶更多的能量。比如，兆電子伏特加速器（Tevatron）中的質子可以達到1萬億電子伏特，是大型強子對撞機中質子強度的7倍。

????在數(shù)值模擬中，考德威爾小組使用質子驅動的等離子體尾場加速器在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。相對之下，國際線性加速器至少得需要9英里（合14.4公里）的距離才能達到相同的目標，而斯坦福線性加速器中心的線性加速器則需要10倍的距離才能達到其十分之一的能量強度。如果將此新型質子驅動的等離子體尾場加速和大型強子對撞機中的高能質子束相結合，考德威爾表示這將能使電子加速到幾萬億電子伏特，因此物理學家能讓加速器既具備他們所需的威力和又能達到他們所需的精確度。（元元）