等离子体Wakefield加速度,迈向更小粒子碰撞体的一步

em在一项新研究中,研究人员详细介绍了一种叫做等离子尾流场加速的技术如何使他们能够构建更经济的粒子对撞机。 / em

由加州大学洛杉矶分校和美国能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员领导的一项研究表明,一种更有效的方法可以加速正电子,反物质的电子对立面。该方法可能有助于导致更小但更强大的线性电子 - 正电子碰撞器 - 可用于了解自然基本构件的性质的机器。

该研究小组以前曾表示,通过让电子粒子“冲浪”一束电离气体或等离子体来提高带电粒子的能量,在加速电子时效果很好。虽然这种方法本身可能导致更小的加速器,但电子只是未来碰撞器方程的一半。现在,研究人员通过将该技术应用于SLAC高级加速器实验测试设备的正电子实现了另一个里程碑。该研究于8月26日在Nature上发布。

研究人员通过将高能粒子束彼此砸碎来研究物质的基本成分和它们之间的力量。例如,欧洲的大型强子对撞机通过以极高的能量碰撞质子而起作用。但是许多科学家认为建造一个能够将电子和正电子一起击碎的对撞机将是一大进步。这是因为与由三个夸克组成的质子不同,电子和正电子是基本或基本粒子,因此它们之间的碰撞将更加清洁并且更容易研究。

em这个动画解释了研究人员如何用等离子体加速正电子 - 这种方法可能有助于提高能量并缩小未来线性粒子碰撞体的大小 / em

使用当前的技术,用于下一代实验的电子 - 正电子对撞机需要数十公里长的加速器。但研究人员希望称为等离子尾流场加速的技术可以使他们建立更短,更经济的加速器。

以前的工作表明,该方法可有效地加速电子的运行:当FACET的一束紧密聚焦的电子束进入电离气体时,它会产生等离子体“尾流”,研究人员用它来加速尾随的第二束电子束。

但是当正电子粒子被加速时,等离子体尾流场更具挑战性。实际上,许多科学家认为,无论尾随正电子束的位置在哪里,它都会失去其紧凑,集中的形状,甚至放慢速度。

“我们的关键突破是找到一个新的制度,可以让我们有效地加速等离子体中的正电子,”研究报告合着者,加州大学洛杉矶分校Henry Samueli工程与应用科学学院电气工程杰出教授Chandrashekhar Joshi说。

研究小组发现,单个正电子束可以与等离子体相互作用,使其正面产生尾迹,同时加速和聚焦尾迹。这发生在正电子穿过等离子体行进约10厘米(约4英寸)之后。

“在这个稳定的状态下,大约10亿个正电子在仅1.3米的短距离内获得了50亿电子伏特的能量,”该研究的第一作者,前SLAC研究员,现在在法国高等理工学院学习的Sebastien Corde说。 “他们也非常有效而且一致地做到了这一点,从而形成了一个加速束,并具有明确的能量。”

使用超级计算机,团队成员进行模拟,这对理解启用机制正电子加速度

“我们进行模拟以了解稳定状态是如何产生的,”该研究的合着者,加州大学洛杉矶分校物理学与天文学教授兼电气工程专家Warren Mori说。 “基于这种理解,我们现在可以使用模拟来寻找以更好,更可控的方式激发适当醒来的方式。这将导致未来实验的想法。“

尽管研究人员不希望在不久的将来建立基于等离子体的粒子对撞机,但该方法可以用来更快地升级现有的加速器。

“可以想象,通过在最后加入非常短的等离子体加速器来提高线性加速器的性能,”Corde说。 “这会使加速器的能量倍增,而不会使整个结构显着延长。”

该研究的作者之一SLAC的Mark Hogan说:“与我们以前的成就一起,这项新研究是朝着制造更小,更便宜的下一代正负电子对撞机迈出的重要一步。”

其他贡献者包括奥斯陆大学和中国清华大学的研究人员。该研究得到了能源部,国家科学基金会,挪威研究理事会和中国千人计划的支持

出版物:S. Corde等人,“Multi-gigaelectronvolt acceleration of positrons in a-loaded plasma wakefield”,Nature 524,442-445(2015年8月27日); DOI:10.1038 / nature14890

来源:马修钦,加州大学洛杉矶分校新闻室



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