斯坦福SLAC粒子加速器改革发展分析

当斯坦福SLAC国家加速器实验室于1966年首次开放时，它已经获得了世界上最长的直线加速器的荣誉：位于加利福尼亚州北部绵延起伏的丘陵之下，长达25公尺的一个3.2公里的怪物。

近日，戈登和贝蒂·摩尔基金会已经授予斯坦福大学1350万美元资金，带领一个研究小组（包括美国能源部SLAC国家加速器实验室）在激光器上建立一个鞋盒大小的粒子工作加速器，即“芯片上的加速器”技术。

SLAC的全尺寸加速器，被称为LINAC，依靠作为射频放大器的klystrons（专用真空管）产生用于该设备实验的高能电子束。 他们也产生了一大堆辐射，这就是为什么光束被埋在两层地下的混凝土掩体中。

电子在线的一端产生，然后加速到99.99999％的光速，因为它们沿着2英里长的仪器行进。 它们还注入了高达15 GeV的额外能量。当这些亚原子粒子撞击到目标 - 在这种情况下，无论是样品材料还是电子的bizarro双胞胎，正电子 - 他们真的打包了一个冲击波。

这种设置的问题是成本和可用性;这个星球上只有少数几个，因为它们的建造、维护和运行非常昂贵。因此，对机器的需求大大地掩盖了设备可以运行的时间量。如今，直线加速器每周五天，每天平均运转24小时，其中的一些时间用于维修。 SLAC的服务要求很高，只有六分之一的实验被接受，那些得到认可的人将被期望遵守严格的时间表。

目前，粒子加速器均使用微波驱动粒子，因为微波拥有较长波长且发散空间广泛。在新的实验中，科学家用激光代替微波照射一块石英玻璃芯片，这样激光会与显微镜通道中的皱褶相互作用。美国SLAC国家加速器实验室物理学家乔尔-英格兰德是该五年项目的成员之一，他表示：“既然微芯片产业可以改革计算机，或许我们也能如此改革粒子加速器。缩小粒子加速器就是令它们变得体积更小，造价更低廉，一旦成功，加速器将变得平民化。”在实验中，这种相互作用产生一个电场，提高经过电子的能量，这些电子以前在高能粒子加速器中都是被加速到接近光速。实验显示，在给定距离范围里，芯片能实现的能量提升比SLAC直线加速器还要高出10倍。德国埃尔朗根-纽伦堡大学科学家研究发现，激光可被用来加速较低能的电子，这些低能电子以前在加速器中未被提升到最大速度。利用这种技术，科学家可将加速器芯片组合起来，足球场那么长的芯片就能替代长2英里(约合3219米)的直线加速器相干光源。如此一来，科学家将有望缩小下一代对撞机，如计划中的日本国际直线对撞机，以进行物质新形态的探索。

该国际合作项目集合了加速器物理学、激光物理学、纳米光子学和纳米制造领域的世界知名专家，由斯坦福大学、SLAC国家加速器实验室，以及埃尔朗根-纽伦堡大学等全球多个实验室及大学合作，致力研发新一代“桌面型”粒子加速器。斯坦福大学应用物理学家罗伯特-拜尔表示：“激光能够以阿秒量级加速电子，所用时间相当于电子绕行原子核的时间。借助这种精确方法，研究人员将能够对原子中电子的环绕进行摄像，以便我们观测电子的移动与结合。”