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伯克利大学的科学家们创造了一个同时控制两个激光尾流加速器的装置 ， 这将允许加速电子的“额外加速”并将它们推向彼此 。
激光尾流加速及其方案的艺术解读 。 橙色表示激光脉冲 ， 红色表示加速的电子 ， 波的高度（深度）对应于负（正）电荷的密度 。 在右侧 ， 绿色显示了电子相对于激光脉冲束的轨迹 ， 以及它们在气泡背面的积累 。
传统的基本粒子加速器不能在每米超过几十兆伏的电场下作用于它们 。 这个限制是现代加速器巨大的原因之一：如果超过这个限制 ， 结构不可避免地会发生电击穿 。
在等离子体中产生由自由电子和离子组成的加速场能够避免与介电强度相关的限制 。 没有支撑 ， 其中的电场会迅速衰减 ， 但它们的“瞬时”强度实际上不受任何限制——在等离子体中 ， “所有可能的东西都已经被突破了” 。 在等离子体中使用巨大电场的方法是在电荷有时间转移之前使用电荷分离并补偿它们之间产生的电场 。
基本粒子的激光加速是基于超强飞秒激光脉冲作用下等离子体中的电荷分离 。 一飞秒是百万分之一秒的十亿分之一 ， 几十飞秒的典型脉冲长度是几微米长 。
在没有加速电子（左）和有加速电子（右）的情况下 ， 在驱动光束的作用下模拟等离子体中的正电荷气泡 。 蓝色表示等离子体中的电子密度 ， 橙色表示光束的强度（每张图片的右侧）和加速电子的密度（右侧图片的左侧） 。 图表显示了束轴上电场的纵向分量 ， 单位为千兆伏特/米 。
电子比质子和原子核轻得多 ， 并且对电磁场的响应速度更快 。 进入等离子体 ， 激光脉冲从字面上“散射”其路径中的电子 。 形成带有过量离子的带正电的“气泡” ， 将散射的电子吸引回来 。 在气泡后面 ， 它们会聚 ， 形成一个非常密集的负电荷区域 。
这个气泡 ， 就像它背后的电荷波一样 ， 跟随激光脉冲以接近光速的速度穿过等离子体 。 气泡与其“尾流”之间的电场可以达到每米数百千兆伏 ， 而发现自己在气泡中的电子“滚动”通过电场 ， 推开负电荷 ， 就像海浪中的冲浪者一样 。
有许多使用激光脉冲、带电粒子束及其组合的等离子体加速方案 。 尾流加速器已经能够在台式设施中将电子加速到数千兆电子伏特 ， 这比传统的线性加速器小数百倍 ， 而且便宜得多 。
但是等离子加速有“内在”的缺点 。 该过程本质上是“超快”的 ， 并且加速区域的长度通常不超过厘米 - 然后激光脉冲在等离子体中消散 。 加速电子在能量和飞行方向上有很强的分布 ， 基本粒子物理学的研究需要对其参数进行更精确的控制 。
左：控制激光脉冲聚焦的可变形镜 。 右图：BELLA 实验室建造的第二条激光束线 。
以 Eric Esarey 为首的劳伦斯伯克利国家实验室 BELLA（伯克利实验室激光加速器中心）中心的员工接手了激光加速的改进工作 。 他们实验室的主要设备是拍瓦峰值脉冲激光器（一拍瓦等于十亿兆瓦） 。 在一份新的新闻稿中 ， 研究人员谈到了光束转向设施的升级以及第二条光束馈线的完成 ， 该线使用了主激光器的部分脉冲 。
第二行将成为一个独立的脉冲源 ， 其参数可以在很宽的范围内进行控制 。 为了更准确地同步脉冲的操作 ， 必须使用来自同一激光器的脉冲 。 以飞秒精度发射两个单独的激光器非常困难 ， 但是可以更精确地控制同一脉冲的两个部分之间的延迟 ， 这就是第二条线所提供的 。
因此 ， 实验室现在有两个激光加速器 ， 而不是一个激光加速器 ， 它们可以配置为几乎以任何方式相互结合 。 现代化允许您独立控制每个脉冲的持续时间和持续时间 ， 以及它们之间的间隔 。 此外 ， 两条线都添加了具有可变形表面的镜子 ， 从而可以微调激光脉冲的聚焦 。
科学家们希望升级将允许他们串联组装等离子加速器 ， 并用它们建造一个对撞机 。 在第一种情况下 ， 任务是拾取从一个等离子体通道发射的电子束 ， 并在第二个通道中加速它 。 在这种情况下 ， 必须选择脉冲参数以防止电子散射 。 在第二种情况下 ， 电子会互相飞向对方 ， 以飞秒和微米的精度控制“气泡”的轨迹将防止它们的束在空间和时间上相互错失 。
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