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德俄制造新一代对撞机 将更小更便宜更强大(图)

  【搜狐科学消息】 据美国《连线》杂志报道,按照粒子物理学原则,越大的机器,越激烈的物理学家就能原子彼此撞击,打开来原子世界最深层的谜团。但一项创新性的新技术将最终让这些庞大粒子加速器成为过去。

  通过模拟,一支德国和俄罗斯物理学家率先开发一种粒子加速的新技术,称之“质子驱动等离子体尾场加速”。此技术将会打造出现今加速器的迷你版,称为质子驱动等离子体尾场加速器,虽然此新一代加速器变小了,但能产生能量最强大的粒子。

从事这项开发工作的德国慕尼黑的马普物理学研究所的艾伦·考德威尔说:“这是一项重大的突破。我们的梦想是率先打造出更小巧更便宜更强大的电子加速器。”考德威尔将此成果发表在4月12日出版的《自然-物理学》杂志上。

  粒子物理学的进步以粒子加速器的威力而论,但建造强大的加速器需要很大的投资,由于政府财力紧张,英美二国于去年12月都不再考虑被提议的耗资70亿美元的国际线性加速器(ILC)。因此,为了解答物理学中最伟大的问题,物理学家只能寻找根本上创新的办法来加速粒子。考德威尔及其同事希望质子驱动等离子体尾场加速器能为铺平道路。

  目前有二种办法能让加速器增强威力,一是制造更加强大的电场,二是加大粒子加速的距离。目前,我们已经采用了最强大的电场。而另一种办法会导致建造更大的加速器,如美国费米国家实验室(Fermilab)的兆电子伏特加速器(Tevatron,又称同步回旋加速器)和欧洲的大型强子对撞机。然而,最高能量的电子需要线性轨道,如美国斯坦福线性加速器中心的国家加速器实验室和此被提议的国际线性加速器。

  由于有持续的圆周加速,质子加速器更为强大。但电子加速器因更加精确而显得尤为重要。而等离子体尾场加速器可以兼顾双方。这种激进的新型加速器通过利用等离子体气体来打造强大电场,其强度是传统加速器电场强度的大约一千倍,这意味着此加速器可以缩短一千倍。在等离子体尾场加速器中,紧凑的电子束被射入等离子体中,就像机关枪射出的子弹,能将等离子体中的电子“脱离”等离子体的原子核,冲向四面八方。结果是,这些带正电的原子核成了没有电子的等离子体泡泡,而带负电的被驱逐的电子被拉回带正电的等离子体泡泡。

  当这些带负电的电子快速拉回等离子体泡泡时,它们就会越过其原来的出发位置,因此,此粒子子弹将产生一波又一波的错位电子,从而产生强大的电场。而且,这些电子在很短的距离内就能获得强大的能量。在2007年,斯坦福线性加速器中心、加利福尼亚大学洛杉矶分校和南加州大学联手证实了等离子体尾场加速器的潜力:在仅仅一米内,他们能让电子在斯坦福线性加速器中心的线性轨道上快速加速,其强度能达到电子在整个2英里(合3.2公里)长加速器中所达到的强度的二倍。

  不过,这种加速器也有其局限性,其加速电子的最大能量由其粒子束的能量而定。目前,斯坦福线性加速器中心的任何加速器所产生的能量最强大的电子为500亿电子伏特。因此,考德威尔及其同事决定用质子代替电子来爆破等离子体,从而让等离子体尾场加速器出现新的突破。毕竟,现今的加速器能让质子比电子携带更多的能量。比如,兆电子伏特加速器(Tevatron)中的质子可以达到1万亿电子伏特,是大型强子对撞机中质子强度的7倍。

  在数值模拟中,考德威尔小组使用质子驱动的等离子体尾场加速器在300米的等离子体气体中来加速电子束,可以将它们加速5千亿电子伏特。相对之下,国际线性加速器至少得需要9英里(合14.4公里)的距离才能达到相同的目标,而斯坦福线性加速器中心的线性加速器则需要10倍的距离才能达到其十分之一的能量强度。如果将此新型质子驱动的等离子体尾场加速和大型强子对撞机中的高能质子束相结合,考德威尔表示这将能使电子加速到几万亿电子伏特,因此物理学家能让加速器既具备他们所需的威力和又能达到他们所需的精确度。(元元)

(责任编辑:罗园)

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