激光「鑽孔」在激光碟機動電子加速方面創造了新的世界紀錄

美國能源部(DOE)所屬的勞倫斯伯克利國家實驗室近日在其官網發文稱，科學家將第一個激光脈衝加熱並通過等離子體進行「鑽孔」，科學家將粒子置入幾十厘米長的管中，幾乎使以前的激光碟機動粒子加速記錄翻了一倍。

在勞倫斯伯克利國家實驗室進行的激光等離子體實驗正在推動更緊湊和更經濟的粒子加速，為高能機器提供動力 - 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。

在伯克利實驗室激光加速器（BELLA）中心使電子加速到7.8 GeV的新紀錄，超過了BELLA 在2014年宣布的4.25 GeV結果。最新研究詳見2月25日的《物理評論快報》期刊。記錄結果是在2018年夏天實現的。

該實驗使用了極其強烈和短的「驅動」激光脈衝，每個脈衝的峰值功率約為850萬億瓦特，並且脈衝長度約為35千萬億分之一秒（35飛秒）。峰值功率相當於同時點亮大約8.5萬億個100瓦的燈泡，儘管燈泡只能點亮幾十飛秒。

每一個強烈的激光脈衝都會產生一股沉重的「kick」，在等離子體內產生一股波 - 這種氣體已被加熱到足以產生帶電粒子的氣體，包括電子。電子順著等離子體的波峰，就像順著海浪的衝浪者一樣，在20厘米長的藍寶石管內達到破紀錄的能量。

「僅僅製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厘米管的整個長度上創建這些波，以便將電子加速到如此高的能量。」

要做到這一點，需要一個等離子通道，它將激光脈衝限制在與光纖通道光線相同的方式。但與傳統光纖不同，等離子體通道可以承受加速電子所需的超強激光脈衝。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年的實驗中，放電用於產生等離子體通道，但為了達到更高的能量，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並損壞了藍寶石管。Gonsalves指出，即使激光束聚焦的較弱區域 - 即所謂的「翅膀」 - 也足以用先前的技術破壞藍寶石結構。

BELLA中心主任Eric Esarey表示，這個問題的解決方案受到了20世紀90年代的一個想法的啟發，即使用激光脈衝加熱等離子體並形成通道。這項技術已被用於許多實驗，包括2004年伯克利實驗室的努力，產生了高達100 MeV的高質量光束。

參與最新工作的團隊和2004年的團隊和均由前ATAP和BELLA中心主任Wim Leemans領導，他現在在德國的DESY實驗室工作。研究人員意識到，將兩種方法結合起來 - 將加熱器束放在微管中心 - 可進一步加深和縮小等離子體通道。這為實現更高能量的光束提供了前進的道路。

在最新的實驗中，Gonsalves表示：「放電使我們能夠精確控制加熱器激光脈衝的等離子體條件。放電時間、加熱器脈衝和驅動脈衝是至關重要的。」

這種組合技術從根本上改善了激光束的限制，保留了激光束的強度和焦距，並且當它穿過等離子管時，其光斑尺寸或直徑僅限於幾十分之一米。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。

該團隊需要新的數值模型（代碼）來 該技術。包括伯克利實驗室，俄羅斯Keldysh應用數學研究所和捷克共和國ELI-Beamlines項目在內的合作改編並整合了多個代碼。他們將在Keldysh研究所開發的MARPLE和NPINCH結合起來，模擬了通道的形成; 在BELLA中心開發的INF和RNO用於模擬激光 - 等離子體相互作用。

INF＆RNO的首席開發人員Carlo Benedetti表示：「這些代碼幫助我們快速了解了最大的不同之處 - 能夠實現指導和加速的因素是什麼。」 他指出，一旦顯示的代碼與實驗數據一致，就可以更容易地解釋實驗。

Gonsalves稱：「現在正處於模擬可以引導並告訴我們下一步該做什麼的時刻。」

Benedetti指出，代碼中的繁重計算利用了伯克利實驗室的國家能源研究科學計算中心（NERSC）的資源。未來推進更高能量加速的工作可能需要更加密集的計算，這種計算接近稱為百億億次計算的制度。

Esarey則表示：「今天，產生的光束可以產生和捕獲正電子。」他指出，BELLA的目標是在電子加速中達到10 GeV能量，未來的實驗將針對這個閾值甚至更高。他表示：「未來，電子加速的多個高能階段可以耦合在一起，實現電子 - 正電子對撞機，以新的精度探索基礎物理。」

加州大學伯克利分校和俄羅斯國家核研究大學的研究人員也參與了這項研究。這項工作也得到了能源部科學辦公室，亞歷山大·馮·洪堡基金會和國家科學基金會的支持。

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