AWAKE的360度全景图   图片源头：CERN

■本报记者 倪思洁

在科幻小说《三体》中，三体人用“智子”干扰人类粒子减速器，驱动以便拦阻地球人的波电睁开。估量在三体人眼中，减速粒子减速器算患上上是往事网人类科技睁开最患上力的工具了。

不断以来，迷信人类对于降级刷新减速器乐此不疲。初次5月26日清晨，实现在欧洲核子钻研中间（CERN），质束新一代减速器——AWAKE名目，驱动谢世界上初次经由质子束穿梭等离子体发生尾波场，波电并乐成演示了电子束的减速注入与减速。8月29日，往事网这项钻研下场宣告于《做作》杂志[1]。

AWAKE名目名为“先进尾波场试验”，是新一代高能减速器的原实际证研发名目，自动于钻研若何经由高能质子束驱动的尾波场使电子束在短距离内取患上高能量。

“这个妨碍是高能尾波减速器睁开的一个里程碑。不外，作为尾波减速器的新成员，AWAKE未来需要在高梯度、高功能、高品质减速等方面进一步揭示其睁开后劲。”清华大学工程物理系教授、等离子体尾波减速专家鲁巍见告《中国迷信报》记者。

冲个浪 去世气愿望旺

自从20世纪缔造粒子减速器以来，减速器不光是人类探知宏不雅天下的触角，也修正了人类的破费生涯方式，好比说减速器可以为癌症患者杀去世癌细胞，可能给牛奶盒、薯片袋封口等。

不外，对于高能粒子物理来说，粒子减速器能量越高，越能辅助人类发现“超乎想象”的物理天气，因此，提升减速器能量不断是迷信家们的谋求。

传统的减速器要想让粒子被减速患上更快，就必需给粒子更长的跑道，因此，驰名的减速器根基都是多少百米致使多少公里的重大无朋，欧洲大型强子对于撞机（LHC）的粒子减速器，周长27公里，可能让被减速后的粒子以近乎光速对于撞。

近多少十年，迷信家开始想措施另辟蹊径，零星地睁开一种可能将减速器小型化的新技术——尾波减速器。

在上世纪70年月末到80年月初，美国加州大学洛杉矶分校的等离子体物理泰斗John Dawson教授以及他的共事提出了“尾波减速”的意见。

尾波减速器的使命道理是让高能带电粒子束或者强激光在等离子体中“冲浪”。迷信家先做一个充斥电离气体的腔体，并将带电粒子束概况激光射进这个腔体。当电子束或者超短超强激光以挨近光速的速率在冷漠的等离子体介质里转达时，会在等离子体里留下相似船划过水面同样的尾迹，这便是尾波。接着，他们再将另一束粒子射进“海浪”，让粒子束随着“浪潮”向前冲，实现减速。

费米国家试验室教授周为仁见告《中国迷信报》记者，假如可能研制乐成，尾波减速器可能让粒子在每一1米取患上的能量（即减速梯度）比传统减速器高良多，如斯一来，减速器就能造患上很小。

当初，尾波减速器主要接管电子束驱动以及激光驱动，而AWAKE名目是由高能质子束驱动的尾波减速器钻研名目，堪称尾波减速器规模的“新成员”。

“比起电子束驱动以及激光驱动，超高能质子束可能在等离子体中传患上更远，因此，高能质子束驱动的尾波有可能让电子束的减速距离更远，取患上的能量更高。”AWAKE名目讲话人Allen Caldwell说。

跑十米 快百倍

AWAKE名目具备一条长为10米、充斥电离气体的等离子体腔。当一束高能质子注入腔体时，质子穿过等离子体，排汇逍遥电子并发生尾波场，“海浪”就发生了。而后，另一束电子被注入其中，部份电子会被尾波场俘获，实现减速。

2013年，CERN称许了这个名目，5年后的明天，名目终于第一次用质子“造”出了“浪”。

“CERN之以是关注高能质子束驱动的尾波减速器，次若是由于CERN具备天下上能量最高的质子减速器，假如可能经由尾波实用地将质子束能量转换给电子束，就有望取患上1000亿电子伏特级或者更高能量的电子束，而超高能量电子束对于高能粒子物理钻研很分心义。”鲁巍说。

鲁巍见告记者，AWAKE的主要潜在优势是其驱动质子束的超高能量，而高能量象征着可能在同样的等离子体中转达更远。

除了乐成用质子“造浪”之外，AWAKE还将电子减速了100倍摆布。被减速的电子在注入前是1900万电子伏特，电子随着等离子体“冲浪”了10米之后，被减速到20亿电子伏特。

“AWAKE证实，它可能实现平均每一米减速2亿电子伏特的目的。”AWAKE的技术调以及员及CERN名目负责人Edda Gschwendtner见告记者，比照之下，当初传统电子减速器个别只能给电子每一米减速3000万电子伏特至1亿电子伏特。

超高能 在路上

在业余人士看来，AWAKE仍需处置一系列紧张挑战。

一项挑战是减速梯度下场，即电子每一米能减速的能量。有迷信家以为，假如从电子的减速梯度看，AWAKE当初的水平不能算“使人知足”。

2007年2月，《做作》杂志宣告了一项钻研下场，该钻研在82厘米的电子束驱动等离子体尾波减速器中，实现为了电子平均每一米减速520亿电子伏特[2]，这一能量梯度是AWAKE当初能量梯度的260倍，减速总能量也是AWAKE减速总能量的21倍。2014年11月，《做作》杂志还以封面论文的方式宣告对于验证高功能低能散尾波减速妄想的下场[3]，证明了电子束驱动尾波在高品质减速方面的优势。

激光驱动的尾波减速器罕有的减速梯度在每一米1000亿电子伏特摆布。鲁巍展现，之后，减速的能量记实约 70亿电子伏特，而实现这一减速惟独要0.1米摆布较高密度的等离子体以及一台艰深房间巨细的超短超强激光器。

“以及艰深尾波减速器逾越传统减速器百倍到万倍的减速梯度比照，AWAKE当初的减速梯度略显微乎其微。”鲁巍说。

不外，电子束或者激光驱动的尾波减速器尽管减速梯度更大，但AWAKE副讲话人Matthew Wing展现，要取患上超高能量，电子束或者激光驱动的尾波减速器有需要将一个个较短的等离子体腔衔接到一起，而实现这些腔体的高品质级联是一个挑战。

记者懂取患上，在接下来的5年里，AWAKE的钻研职员愿望后退减速器的梯度，使患上减速器在10米到20米内抵达约莫1000亿电子伏特。

挑战之二是电子注入俘获功能下场。鲁巍展现，AWAKE当初实现电子束注入的俘获功能在0.1%如下，即每一1000个电子从传统的电子减速器进去，惟独不到1个能被注入到等离子体腔里。

尽管，俘获功能低的下场并非AWAKE独占。2016年2月，《做作》杂志宣告了美国劳伦斯伯克利国家试验室实现两个腔体级联的下场[4]，但从第一个腔体中穿出的电子注入到第二个腔体时，功能惟独3%至5%。

之以是如斯，是由于被注入的电子束要从孔径颇为小的洞里穿进第二个腔体，就好比要将一根棉线快捷穿进一根绣花针，想穿患上又快又准是很难的。

不外，注入俘获功能并非尾波减速器难以逾越的拦阻。鲁巍向记者泄露，当初清华大学钻研团队已经取患上突破，实现为了从传统减速器到激光尾波减速器的级联与减速，并取患了挨近100%注入俘获功能。8月中旬，钻研团队应邀在美国举行的先进减速意见国内大会（AAC）上就该下场作了大会陈说。

尽管AWAKE面临诸多挑战，但从近些年来尾波减速相关钻研突破不断的态势看，新的突破仍值患上期待。

“未来5至10年，尾波减速的艰深运用将谢世界规模内迎来热潮。未来20年，超高能尾波减速器也将逐渐走向成熟。”鲁巍展现，在非高能减速规模，激光尾波、电子束驱动尾波减速器的关键技术已经日益成熟，有望在3至5年外在科研以及工业等规模实现开始运用，而面向高能物理运用的超高能尾波减速器，则需要更长的光阴睁开以及美满。

相关论文信息：

[1] DOI:10.1038/s41586-018-0485-4

[2] DOI：10.1038/nature05538

[3] DOI：10.1038/nature13882

[4]DOI: 10.1038/nature16525