誰來拯救玩不起的高能物理 光纖激光點亮粒子加速器

ICAN 的激光器會使用成千上萬個光纖激光器。圖片來源：PHIL SAUNDERS

　　來源：中國科學報

　　遲早，這些野心將會陷入困境——除非一些花費徹底便宜下來的新加速器技術得以實現。

　　在不斷發展的高能物理隧道的盡頭，光還會是光嗎？該領域對更強大加速器的追求正在與社會為其支付費用的意願相衝突。

　　高額投入帶來困境

　　瑞典日內瓦附近的歐洲核子研究組織（CERN）中的大型強子對撞機（LHC）擁有27公里長的圓形隧道，探測器和教堂差不多大，其費用有將近100億美元。接下來，物理學家想要建造一個31公里長的國際直線對撞機，費用高達250億美元，並且他們還在探討建造更大的機器和更長的隧道。遲早，這些野心將會陷入困境——除非一些花費徹底便宜下來的新加速器技術得以實現。然而，一個歐洲物理學家團隊在簡單的光纖激光器中看到了希望。

　　幾十年前，研究人員就已經知道激光脈衝可以加速帶電粒子，但直到幾年前，他們才能用該方法產生足夠高質量的粒子束。餘下需要克服的問題就是數量：能夠在合理的效率下，以足夠高的重複率產生足夠強烈脈衝的激光並不存在。

　　現在，一些歐洲物理實驗室的聯盟稱，它們可以在不建造一個新的高能激光機器的情況下滿足必要的條件。這就需要使用光纖激光器——它們是電信行業的主力，並將其所有的產出結合成為一個超級粒子束。在歐盟為其長達18個月的試點項目投資50萬歐元後，這些實驗室使用64個光纖激光器順利合併光束。如果歐盟下一個7年研究預算允許（目前尚未敲定），他們希望用成千上萬個光纖擴展建成一個全尺寸的激光器。

　　循序漸進的嘗試

　　物理學家不僅到達了國家預算的極限，同時也到了技術的極限。為了尋找新的物理現象，他們最終會加速輕子——比如電子和正電子——至超過5TeV（5萬億電子伏特）的能量。不過，若想使用今天的技術到達這一步，將耗費數百兆瓦（MW）的電力，相當於一個中型電站的所有輸出。「沒有技術可以為超過5TeV的輕子對撞機服務。」法國原子能委員會實驗室的Roy Aleksan如是說。其難題在於，目前用於加速離子的無線電波無法提供足夠大的動力，因此需要大量連續的微波腔以達到高能量。而這些微波腔並不能很有效地將插接電轉化為電子束功率。

　　30多年前，美國加州大學洛杉磯分校的John Dawson和Toshiki Tajima提出了一個截然不同的策略：在激光激起的等離子體中對粒子進行加速。等離子體本質上是一種帶電粒子（離子和電子）的氣體。如果一個高能激光脈衝發射到等離子體中，激光的電場會排除那些很輕的電子，而更重的離子則很少移動，其尾流中就會有缺乏電子的正電荷泡沫，隨後會出現一個負電荷（在電子重新湧入時形成）區域。結果就會形成一個和脈衝前進方向平行的強大電場。這種「尾流電場」可以大幅加速電子——來自等離子體的電子或是專門注入其中加以利用的電子。

　　當Dawson和Tajima提出這種尾流電場加速技術時，激光脈衝還無法足夠短促有力。不過，20世紀80年代中期羅徹斯特大學的Gérard Mourou和Donna Strickland發明了啁啾脈衝放大（CPA）技術。通過該技術，研究人員可以得到10~100GV/m（GV/m為十億伏每米）強度的尾流電場，比傳統的射流加速（10~50MV/m）的能量強度要高3個數量級。不過粒子物理學家並沒有嚴肅對待這種技術，因為它生產出的是質量差和低亮度的粒子束。

　　然而，2006年，加利福尼亞的伯克利國家實驗室在僅僅3.3厘米長的等離子管道中創造出了一個高質量的1-GeV（十億電子伏特）電子束時，懷疑者們開始對其刮目相看。2009年，國際未來加速器委員會和國際超高強度激光委員會設立了一個聯合工作組，旨在調查這些新型激光技術如何幫助加速器的發展。在2011年發表的報告中，工作組草擬了一項計劃——使用成百上千個激光等離子體模塊構成的正負電子對撞機來加速粒子。該機器將比現在的加速器小很多——不過幾千米長——而且很可能成本要小得多，而它將能夠達到1到10TeV的能量。

　　光纖激光器登場

　　不過必要的激光器仍然不存在。儘管CPA使研究人員創造了具有足夠高峰值功率的激光脈衝，但這種激光器通常會一秒一次地進行發射，對於產生強烈的粒子束來說過於緩慢。對應TeV數量級加速器的激光器需要每秒產生數以千計甚至數以百萬計的脈衝，以避免巨大的能量消耗，同時還需要高的功率轉換效率。「這就需要使其整體得到提高：高峰值功率、平均功率和效率。」Aleksan稱。

　　該報告提出了一個長期的研發項目來開發必要的激光器。不過，目前在巴黎高等理工學院工作的Mourou有一個更好的想法：使用一個在電信行業中很普遍且便宜的工具，即光纖激光器——僅僅是摻雜了鐿的光纖。在加入其他來源的光後，光纖激光器可以在高效率下以高重複率產生粒子束。而它們所缺少的是產生超短、大功率脈衝的能力。

　　因此，Mourou提出，聯合成千上萬個光纖激光器的產出以創造一個可以驅動TeV加速器的光束。該系統會通過從種子激光器中獲得短脈衝、將脈衝拉伸並在大量光纖激光器中放大來進行運作。之後這些脈衝就會重新組合成一個單獨的光束，並被壓縮產生短的、大功率的脈衝，再將成千上萬個光纖激光器產生的脈衝組合成為一個單獨的光束。所有的光束都必須很精確地處於各自的相位，否則一些光束會破壞性地干擾其他光束，從而減弱最終形成的光束的能量。「人們覺得這很瘋狂。」Mourou稱。

　　Mourou促成了國際相干放大網路（ICAN）與CERN、英國南安普頓大學、德國弗勞恩霍夫研究所的同行的合作。在一年半的研究後，他們表示這種相干組合可以實現。在其於今年早些時候完成的最終驗證中，他們將64個光纖激光器組成8×8的方陣，使其光束平行出現。在允許光束可以輕微重疊的前提下，研究人員能夠觀測到每個光束和離其最近的4個相鄰光束的干涉模式。攝像機記錄了這些模式，在檢測了相位中的任何差異後，一個反饋迴路會回到有問題的光纖激光器中，並立即調整相位恢復正常。

　　檢測並調整一個粒子加速器所需要的約3萬個光纖激光器是十分艱巨的任務——Mourou認為其艱巨程度相當於設計歐洲極大望遠鏡所遇到的挑戰。不過ICAN的驗證證明了這一原理的可行性。

　　ICAN項目吸引了其他看到高峰值功率和快速脈衝激光器希望的組織的注意。相同的技術可以為被稱作自由電子激光器的一種X射線光源提供低成本的電子束來源；還可以提供癌症治療的質子束以及醫療同位素。「ICAN項目預示著在基於激光和等離子體的粒子加速領域的一場革命。」俄羅斯羅蒙諾索夫莫斯科國立大學Skobeltsyn核物理研究所的Alexander Pukhov如是說。

　　在該項目的技術應用於其他領域之前，Mourou和其團隊需要證明他們可以建造一個具有所需功能的全面的激光器。如果下一個歐盟研究預算可以提供他們所需的300億歐元資金，他們也許可以說明其原理論證是否預示著粒子物理學的光明未來，還是僅為曇花一現。「他們需要開發出一個加速器。」Aleksan說，「然後人們就可以說『這正是我們可以使用的東西』。」（張冬冬）

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