斯坦福SLAC粒子加速器改革發(fā)展分析

當(dāng)斯坦福SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室于1966年首次開(kāi)放時(shí)，它已經(jīng)獲得了世界上最長(zhǎng)的直線加速器的榮譽(yù)：位于加利福尼亞州北部綿延起伏的丘陵之下，長(zhǎng)達(dá)25公尺的一個(gè)3.2公里的怪物。

近日，戈登和貝蒂·摩爾基金會(huì)已經(jīng)授予斯坦福大學(xué)1350萬(wàn)美元資金，帶領(lǐng)一個(gè)研究小組（包括美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室）在激光器上建立一個(gè)鞋盒大小的粒子工作加速器，即“芯片上的加速器”技術(shù)。

SLAC的全尺寸加速器，被稱為L(zhǎng)INAC，依靠作為射頻放大器的klystrons（專用真空管）產(chǎn)生用于該設(shè)備實(shí)驗(yàn)的高能電子束。 他們也產(chǎn)生了一大堆輻射，這就是為什么光束被埋在兩層地下的混凝土掩體中。

電子在線的一端產(chǎn)生，然后加速到99.99999％的光速，因?yàn)樗鼈冄刂?英里長(zhǎng)的儀器行進(jìn)。 它們還注入了高達(dá)15 GeV的額外能量。當(dāng)這些亞原子粒子撞擊到目標(biāo) - 在這種情況下，無(wú)論是樣品材料還是電子的bizarro雙胞胎，正電子 - 他們真的打包了一個(gè)沖擊波。

這種設(shè)置的問(wèn)題是成本和可用性;這個(gè)星球上只有少數(shù)幾個(gè)，因?yàn)樗鼈兊慕ㄔ?、維護(hù)和運(yùn)行非常昂貴。因此，對(duì)機(jī)器的需求大大地掩蓋了設(shè)備可以運(yùn)行的時(shí)間量。如今，直線加速器每周五天，每天平均運(yùn)轉(zhuǎn)24小時(shí)，其中的一些時(shí)間用于維修。 SLAC的服務(wù)要求很高，只有六分之一的實(shí)驗(yàn)被接受，那些得到認(rèn)可的人將被期望遵守嚴(yán)格的時(shí)間表。

目前，粒子加速器均使用微波驅(qū)動(dòng)粒子，因?yàn)槲⒉〒碛休^長(zhǎng)波長(zhǎng)且發(fā)散空間廣泛。在新的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家用激光代替微波照射一塊石英玻璃芯片，這樣激光會(huì)與顯微鏡通道中的皺褶相互作用。美國(guó)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家喬爾-英格蘭德是該五年項(xiàng)目的成員之一，他表示：“既然微芯片產(chǎn)業(yè)可以改革計(jì)算機(jī)，或許我們也能如此改革粒子加速器?？s小粒子加速器就是令它們變得體積更小，造價(jià)更低廉，一旦成功，加速器將變得平民化?！痹趯?shí)驗(yàn)中，這種相互作用產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，提高經(jīng)過(guò)電子的能量，這些電子以前在高能粒子加速器中都是被加速到接近光速。實(shí)驗(yàn)顯示，在給定距離范圍里，芯片能實(shí)現(xiàn)的能量提升比SLAC直線加速器還要高出10倍。德國(guó)埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，激光可被用來(lái)加速較低能的電子，這些低能電子以前在加速器中未被提升到最大速度。利用這種技術(shù)，科學(xué)家可將加速器芯片組合起來(lái)，足球場(chǎng)那么長(zhǎng)的芯片就能替代長(zhǎng)2英里(約合3219米)的直線加速器相干光源。如此一來(lái)，科學(xué)家將有望縮小下一代對(duì)撞機(jī)，如計(jì)劃中的日本國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)，以進(jìn)行物質(zhì)新形態(tài)的探索。

該國(guó)際合作項(xiàng)目集合了加速器物理學(xué)、激光物理學(xué)、納米光子學(xué)和納米制造領(lǐng)域的世界知名專家，由斯坦福大學(xué)、SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室，以及埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)等全球多個(gè)實(shí)驗(yàn)室及大學(xué)合作，致力研發(fā)新一代“桌面型”粒子加速器。斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)家羅伯特-拜爾表示：“激光能夠以阿秒量級(jí)加速電子，所用時(shí)間相當(dāng)于電子繞行原子核的時(shí)間。借助這種精確方法，研究人員將能夠?qū)υ又须娮拥沫h(huán)繞進(jìn)行攝像，以便我們觀測(cè)電子的移動(dòng)與結(jié)合。”