激光加速低能電子：有望縮小微型粒子加速器

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激光加速低能電子：有望縮小微型粒子加速器

據(jù)報(bào)道，借助激光和“芯片上的加速器”設(shè)計(jì)理念，科學(xué)家將能在鞋盒大小的區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用于探索平行宇宙和搜尋“上帝粒子”。

借助高能粒子加速器科學(xué)家或可發(fā)現(xiàn)平行宇宙，然而這些加速器通常都重達(dá)數(shù)千噸且占地面積大。斯坦福大學(xué)等機(jī)構(gòu)科學(xué)家最新計(jì)劃利用石英芯片和激光技術(shù)制造微型粒子加速器，加速器體積和重量的大幅縮減使得研究人員更易掌控操作粒子科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

這項(xiàng)新設(shè)計(jì)或?qū)⒋蠓s減粒子加速器的體積和重量。借助激光和“芯片上的加速器”設(shè)計(jì)理念，科學(xué)家將能在鞋盒大小的區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用于探索平行宇宙和搜尋“上帝粒子”。長(zhǎng)久以來(lái)，物理學(xué)家一直致力于粒子加速器實(shí)驗(yàn)，以探索從先進(jìn)醫(yī)學(xué)技術(shù)到物質(zhì)新形態(tài)等各種新事物。然而，粒子加速器龐大沉重且造價(jià)高昂，如歐洲粒子物理研究所的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)重約38 000 t，且深埋于地下，長(zhǎng)達(dá)27 km，令研究人員難以接觸使用。近日，戈登和貝蒂-摩爾基金會(huì)向斯坦福大學(xué)科學(xué)家捐贈(zèng)了1 350萬(wàn)美元，用于設(shè)計(jì)打造一個(gè)微型粒子加速器。據(jù)稱(chēng)，在未來(lái)5年內(nèi)，一個(gè)通過(guò)國(guó)際合作完成的原型將能產(chǎn)生微型加速器的能量，大小相當(dāng)于醫(yī)院放射機(jī)器所產(chǎn)生的能量。不過(guò)研究人員表示，最終還是會(huì)增大這種微型加速器的規(guī)模，以媲美當(dāng)今全球最強(qiáng)大的粒子加速器。

最近幾個(gè)月來(lái)，歐洲粒子物理研究所大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)一直在高強(qiáng)度運(yùn)作，搜尋微型黑洞。高能粒子加速器能夠搜尋微型黑洞，因此被認(rèn)為是探索“多宇宙”跡象的關(guān)鍵。如果科學(xué)家能夠以預(yù)測(cè)的能量在加速器中探測(cè)到微型黑洞，就可以證明多維度的存在，并延伸推斷平行宇宙的存在。歐洲粒子物理研究所科學(xué)家默-法伊扎爾解釋說(shuō)：“打個(gè)簡(jiǎn)單的比方，紙張是擁有長(zhǎng)寬的二維物體，而許多平行的紙張疊在一起，就以高度的形式存在于三維的平行世界中。我們預(yù)測(cè)，引力能夠滲入另一個(gè)維度。如果預(yù)測(cè)無(wú)誤的話(huà)，我們就能在大型強(qiáng)大對(duì)撞機(jī)中生成微型黑洞。”如今，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的創(chuàng)記錄高能量使得搜尋這些微型黑洞成為可能，并可追蹤到消失在黑洞中的能量引力。然而，新的彩虹理論認(rèn)為，擁有不同能量的粒子將面臨不同的時(shí)空和不同的引力場(chǎng)，這或許可以解釋大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)至今仍未發(fā)現(xiàn)微型黑洞的原因。

在過(guò)去75年中，粒子加速器一直是科學(xué)家在物理、化學(xué)、生物和制藥等領(lǐng)域的一項(xiàng)重要研究工具，它們能夠解密先進(jìn)醫(yī)藥技術(shù)，幫助科學(xué)家進(jìn)一步了探究原子的內(nèi)部工作原理。然而，受限于龐大的體積和高昂的造價(jià)，粒子加速器不易被科學(xué)家廣泛使用。歐洲粒子物理研究所研究人員表示，探測(cè)器可對(duì)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中飛出的數(shù)十億粒子進(jìn)行追蹤，因此有望發(fā)現(xiàn)除長(zhǎng)度、寬度、深度和時(shí)間之外維度的蛛絲馬跡。

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(xiàn)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)約3 219 m的直線(xiàn)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(xiàn)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(zhuān)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。”