該圖描繪了LLE研究人員概述的方法，該方法利用強(qiáng)激光整形以使電子在非常短的距離內(nèi)加速到更高能量。一個(gè)超短脈沖（黃色）向右傳播并從一個(gè)放射狀梯形（最右邊的元素）反射，控制每個(gè)環(huán)在從無(wú)軸突（axiparabolla）（最左邊的元素）反射之后聚焦的時(shí)間。圖片：H. Palmer and K. Palmisano

通過(guò)觀察已被加速到極高能量的電子，科學(xué)家們能夠解開有關(guān)組成我們宇宙的粒子的線索。

但是，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中將電子加速到如此高的能量是一項(xiàng)挑戰(zhàn)：通常，電子能量越高，粒子加速器越大。例如，為了發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子（最近觀察到的負(fù)責(zé)宇宙質(zhì)量的“上帝粒子”），瑞士歐洲核子研究組織實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家使用了27公里長(zhǎng)的粒子加速器。

但是，如果有一種方法可以縮小粒子加速器的尺寸，在短距離內(nèi)產(chǎn)生高能電子呢？

在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表的一篇論文中，羅切斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室（LLE）的科學(xué)家概述了一種形成強(qiáng)激光的方法，該方法可以使電子在很短的距離內(nèi)加速到創(chuàng)紀(jì)錄能量：研究人員估計(jì)，加速器僅為類似能量裝置裝置的萬(wàn)分之一，從而將加速器從羅德島（Rhode Island）的長(zhǎng)度減少到餐桌的長(zhǎng)度。有了這樣的技術(shù)，科學(xué)家們可以進(jìn)行桌面實(shí)驗(yàn)來(lái)探測(cè)希格斯玻色子，或者探索額外的維度和新的粒子，最終也許能實(shí)現(xiàn)愛(ài)因斯坦夢(mèng)想的大統(tǒng)一理論。

LLE的科學(xué)家，論文的主要作者約翰·帕拉斯特羅（John Palastro）說(shuō)：“研究基本粒子物理學(xué)需要更高能的電子。電子加速器為宇宙基本組成部分所居住的亞原子世界提供了窺鏡?！?/span>

盡管目前這項(xiàng)研究只是理論上的研究，但LLE正在努力通過(guò)計(jì)劃在LLE上建造世界上功率最高的激光器來(lái)使其成為現(xiàn)實(shí)。這款名為EP-OPAL的激光器將使研究人員能夠創(chuàng)建出本文所述的極其強(qiáng)大的雕刻光脈沖和技術(shù)。

研究人員概述的電子加速器依靠一種革命性的技術(shù)來(lái)雕刻激光脈沖的形狀，以使它們的峰值傳播的速度快于光速。

LLE的資深科學(xué)家，論文的作者之一達(dá)斯汀·弗洛拉（Dustin Froula）說(shuō)：“這項(xiàng)技術(shù)可以使電子加速到超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)所能達(dá)到的水平?！?/span>

為了雕刻激光脈沖，研究人員開發(fā)了一種新穎的光學(xué)裝置，類似于圓形劇場(chǎng)，具有波長(zhǎng)大小的“臺(tái)階”，用于在從高功率激光器發(fā)出的同心圓光之間產(chǎn)生時(shí)間延遲。

典型的透鏡將來(lái)自激光的每個(gè)光圈聚焦到距透鏡的單個(gè)距離，從而形成一個(gè)高強(qiáng)度光的單點(diǎn)。但是，研究人員沒(méi)有使用典型的透鏡，而是使用了形狀奇特的透鏡，這使他們可以將每個(gè)光環(huán)聚焦到距透鏡不同的距離，從而形成一條高強(qiáng)度的線，而不是一個(gè)光點(diǎn)。

當(dāng)經(jīng)過(guò)雕刻的光脈沖進(jìn)入等離子體（自由移動(dòng)的電子和離子的熱湯）時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生喚醒，類似于摩托艇啟動(dòng)時(shí)的狀況。這種喚醒以光速傳播。就像滑水者在船尾滑行一樣，電子隨后在經(jīng)過(guò)雕刻的激光脈沖時(shí)加速。

這些“激光尾波加速器”（LWFA）于40年前首次被理論化，并通過(guò)線性調(diào)頻脈沖放大（CPA）激光器的發(fā)明得到了發(fā)展。線性調(diào)頻脈沖放大是LLE的2018年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者唐娜·史翠克蘭（Donna Strickland）和杰拉德·穆魯（Gerard Mourou）共同開發(fā)的技術(shù)。

但是，以前版本的激光尾波加速器使用的是傳統(tǒng)的，非結(jié)構(gòu)化的光脈沖，其傳播速度比光速慢，這意味著電子將超越尾流，從而限制了其加速度。新的雕刻光脈沖使能快于光的速度，從而電子可以無(wú)限期地喚醒和被連續(xù)加速。

電子持續(xù)獲得能量

LLE的主管邁克爾·坎貝爾說(shuō)：“這項(xiàng)工作極富創(chuàng)新性，將改變激光加速器的游戲規(guī)則。這項(xiàng)研究表明，與杰出的激光科學(xué)家和工程師緊密合作，理論和實(shí)驗(yàn)等離子體物理學(xué)的價(jià)值-代表了LLE文化的精華。”