实验粒子加速器以波的形式加速电子

SLAC 国家加速器实验室的直线加速器穿过加州斯坦福大学西侧的草木，运行长达两英里，其路径从空中清晰可见。现在，在同一校园的一个实验室里，一台 36 厘米长的装置也要做同样的事情。

该设备是一种等离子体尾流场加速器，这是工程师们几十年来一直在研究的一项技术。其理念是使电子以接近光速的速度碰撞。加速器名称中的“尾流场”是指热等离子体波中的实际尾流，电子应该在其中获得速度和能量。与其他粒子对撞机一样，等离子体尾流场加速器应该能够进行实验，研究宇宙中最微小的粒子和最基本的物理规则。

实用的等离子体尾流场加速器应该能够使用比现有电子加速器更少的电力和至少 100 倍的空间完成所有这些任务，从而为未来的纳税人和物理学家节省成本。SLAC 等离子体加速研究员 Mark Hogan 告诉《大众科学》 ：“我们正在寻找下一项新技术，它能让我们推动物理学的发展，但要以一种现实且社会负担得起的方式实现它。”

等离子体尾流场加速器加速电子的方式非常独特。它经常被比作冲浪，那项加州超级运动。物理学家首先让一束电子穿过一小室热锂等离子体。这会在等离子体中产生巨大的波。然后物理学家将第二束电子送入波中。当这些电子乘着波时，它们会受到很大的电场，从而帮助它们在短时间内获得大量能量。

该技术在取代其他同类技术之前还有很长的路要走。而且它还处于早期阶段，因此其他技术是否会在未来 10 年或 20 年内胜出仍是一个悬而未决的问题。然而，今天，霍根和他的同事宣布他们在等离子体尾流场加速方面取得了里程碑式的进展。该团队（包括来自挪威、中国、德国和加州其他地区的大学科学家）已向电子束中的每个电子注入了约 16 亿电子伏特的能量。霍根说，由此产​​生的电子束“看起来就像你放入对撞机的电子束一样”。

霍根和他的团队今天报告的结果显示，他们的电子平均能够从周围的波中提取 18% 的能量。该团队之前进行的这项实验并没有从波中提取出大量能量。

物理学家在 20 世纪 70 年代末和 80 年代初首次提出了等离子体尾流场加速器的理论，但直到 21 世纪初，该技术才开始证明它们可能有效。

既然 Hogan 和他的团队已经证明他们能够提升电子的能量，那么接下来他们还有很多任务要解决。他们想要弄清楚如何提升更高质量、更密集的电子束。电子束越密集，对碰撞就越好。他们还想将几个像他们制造的这样的设备串联起来。科学家们一直都知道，一个设备不足以取代大型线性加速器。他们需要很多台设备同步工作。（预计整体尺寸仍为几英尺长，而不是几英里。）最后，他们想尝试让等离子体尾流场有效地加速正电子，而不仅仅是电子。

霍根和他的同事今天在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。