斯坦福仅半毫米长的微型加速器有望为医学和物理学突破带来巨大飞跃

斯坦福仅半毫米长的微型加速器有望为医学和物理学突破带来巨大飞跃鞋盒大小的加速器示意图。电子源和分束器/注入器馈入亚相对论DLA（本文中描述的设备），将电子加速到1MeV的能量。这些电子通过二氧化硅波导驱动的相对论DLA进一步加速，最后通过一个减压器产生相干自由电子辐射。资料来源：摩尔基金会/佩顿-布罗德斯研究人员已经证明，硅介质激光加速器（DLA）现在既能加速电子，又能约束电子，形成一束聚焦的高能电子束。佩顿-布罗德斯（PaytonBroaddus）说："如果电子是微型汽车，这就好比我们第一次掌握了方向盘，并把脚放在油门上。"将加速器的能力从"英里"进化到"微米"加速器产生的高能粒子束可以让物理学家研究材料的性质，制造用于医疗应用的聚焦探针，以及识别构成宇宙中所有物质的基本构件。最早的高能粒子加速器开发于20世纪30年代，可以放在桌面上。但研究更先进的物理学需要更高的粒子能量，因此科学家们需要建造更大的系统。(位于斯坦福大学校园内的SLAC国家加速器实验室最初的直线加速器隧道于1966年投入使用，全长近2英里）。这些系统使粒子物理学的众多发现成为可能，而布罗德斯的动力则是建造一种微型直线加速器，它的性能最终可以与体积是其一千倍以上的机器相媲美，而成本却只是后者的一小部分。这也将为医学领域带来新的应用，比如可以将这种设备安装在一个小型探针上，然后将电子束精确地射向肿瘤。"我们有能力用更便宜、更小巧的设备完全取代其他所有粒子加速器。"EdwardL.Ginzton实验室主任、工程学院RobertL.andAudreyS.Hancock教授、该论文的资深作者OlavSolgaard说，得益于纳米级制造和激光技术的进步，这一愿景越来越有可能实现。传统的射频加速器由铜腔组成，铜腔中注入无线电波，为粒子提供能量。这些脉冲会加热金属，因此空腔需要以较低的能量和脉冲速率运行，以散热并避免熔化。但是，玻璃和硅结构可以承受激光器发出的更高能量脉冲而不会发热，因此它们的功率更大，体积也更小。大约10年前，斯坦福大学的研究人员开始试验用这些材料制成的纳米级结构。2013年，论文合著者、小威廉-R-凯南名誉教授罗伯特-拜尔领导的研究小组证明，这种纳米结构的激光器可以在不加热的情况下产生更强的能量，同时体积也更小。凯南名誉教授罗伯特-拜尔（RobertByer）领导的研究小组在2013年证明，一种带有脉冲红外光的微型玻璃加速器成功地加速了电子。这些成果促使该项目被戈登和贝蒂-摩尔基金会（GordonandBettyMooreFoundation）在"芯片上的加速器"（ACHIP）国际合作项目中采纳，以制造鞋盒大小的兆电子伏加速器。但是，这种首个"芯片级加速器"仍有一些问题需要解决。正如布罗德斯所说，里面的电子就像行驶在没有方向盘的狭窄道路上的汽车。它们可以迅速加速，但也很容易撞墙。半毫米长的介质激光加速器的扫描电子显微照片，电子在其中穿行并加速。标为黑色的单元是纵向聚焦和横向散焦单元（LFTD），而白色的单元是纵向散焦和横向聚焦单元（LDTF），它们使电子保持在轨道上。(图片来源：Broaddus,P.,Egenolf,T.,Black,D.S.,Murillo,M.,Woodahl,C.,Miao,Y.,...Solgaard,O.(2024).亚相对论交变相聚焦介质激光加速器。物理评论快报》，132，085001。doi:10.1103/PhysRevLett.132.085001)用激光引导电子现在，斯坦福大学的这组研究人员已经成功证明，他们也可以在纳米尺度上引导电子。为此，他们在真空系统中建立了一个带有亚微米通道的硅结构。他们将电子注入一端，并从两侧用定形激光脉冲照射该结构，该激光脉冲可提供踢动能。激光场周期性地在聚焦和散焦特性之间转换，从而将电子聚集在一起，防止它们偏离轨道。这一连串的加速、散焦和聚焦作用在电子上的距离几乎达到了1毫米。这听起来似乎不远，但这些带电粒子却获得了相当大的能量，获得了23.7千电子伏特的能量，比它们的起始能量高出约25%。研究小组在其微型加速器原型中所能达到的加速度与传统的铜加速器不相上下，布罗德德斯补充说，更高的加速度是有可能实现的。虽然这是向前迈出的重要一步，但在将这些小型加速器用于工业、医学和研究领域之前，还有更多工作要做。迄今为止，研究小组引导电子的能力仅限于二维；要使加速器的长度足够长，以获得更大的能量增益，还需要三维电子约束。电子接力赛位于德国埃尔兰根的弗里德里希-亚历山大大学（FriedrichAlexanderUniversity，FAU）的一个姊妹研究小组最近展示了一个类似的装置，该装置使用单激光器，起始能量更低。布罗德斯说，它和斯坦福大学的设备最终将成为一种电子接力赛的一部分。这个未来的中继器将有三名队友：FAU的设备将接收低能量电子，并对其进行初始加速，然后将其送入类似于布罗德斯正在开发的设备中。电子的最后一步将是一个由玻璃制成的加速器，就像拜尔开发的那样。与硅相比，玻璃能承受更大的激光冲击，从而使加速器能进一步激发电子并将其推向光速。索尔加德相信，这种微型加速器最终将在高能物理领域发挥作用，就像它的大型加速器一样，探索构成宇宙的基本物质。他说："我们还有很长很长的路要走。但他仍然很乐观，并补充说，"我们已经迈出了最初的几步"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1421940.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1421940.htm

重塑粒子加速器： 紧凑、强大 随时准备改变科学

重塑粒子加速器：紧凑、强大随时准备改变科学德克萨斯大学奥斯汀分校、多个国家实验室、欧洲多所大学以及总部位于德克萨斯州的TAUSystems公司的研究人员展示了一种长度不到20米的紧凑型粒子加速器，它能产生能量为100亿电子伏特（10GeV）的电子束。目前，美国只有另外两台加速器能够达到如此高的电子能量，但这两台加速器都长约3公里。这个气体室是德克萨斯大学奥斯汀分校开发的紧凑型渚场激光加速器的关键部件。在加速器内部，功率极强的激光器撞击氦气，将其加热成等离子体，并产生波浪，将气体中的电子以高能电子束的形式击出。图片来源：Bjorn"Manuel"Hegelich得克萨斯大学奥斯汀分校物理学副教授兼TAU系统公司首席执行官比约恩-"曼努埃尔"-赫格利希（Bjorn"Manuel"Hegelich）说："我们现在可以在10厘米的范围内达到这些能量，"他指的是产生电子束的腔室的大小。他是最近发表在《极端物质与辐射》（MatterandRadiationatExtreme）杂志上的一篇介绍他们成就的论文的资深作者。赫格利希和他的团队目前正在探索如何将他们的加速器（称为先进的汪场激光加速器）用于各种用途。他们希望用它来测试太空电子设备的抗辐射能力，对新型半导体芯片设计的三维内部结构进行成像，甚至开发新型癌症疗法和先进的医学成像技术。气室绘图。在气室中，功率极强的激光照射氦气，将其加热成等离子体，并产生电波，将气体中的电子以高能电子束的形式发射出去。纳米粒子由通过顶部窗口照射并撞击金属板的次级激光器产生，从而增强了传输给电子的能量。资料来源：德克萨斯大学奥斯汀分校这种加速器还可用于驱动另一种名为X射线自由电子激光器的设备，它可以拍摄原子或分子尺度的慢动作过程。这类过程的例子包括药物与细胞的相互作用、可能导致电池起火的电池内部变化、太阳能电池板内部的化学反应以及病毒蛋白质在感染细胞时的形状变化。汪场激光加速器的概念最早出现在1979年。功率极强的激光击中氦气，将其加热成等离子体，并产生波浪，将气体中的电子击出高能电子束。在过去的几十年里，不同的研究小组开发出了更强大的版本。赫格利希和他的团队的关键进展依赖于纳米粒子。辅助激光照射气室内的金属板，金属板注入金属纳米粒子流，从而增强了电子波的能量。激光就像一叶扁舟划过湖面，留下一道波纹，电子就像冲浪者一样乘着这道等离子体波浪前进。德克萨斯大学奥斯汀分校研制的紧凑型渚波场激光加速器图。激光束从右侧进入气室，在气室中产生电子束，电子束最终进入左侧的两个闪烁屏（DRZ1和DRZ2）进行分析。资料来源：德克萨斯大学奥斯汀分校赫格利希说："要进入大浪中而不被压倒是很难的，所以浪花冲浪者会被水上摩托艇拖入浪中。在我们的加速器中，相当于喷气式滑雪板的是纳米粒子，它们能在恰当的时间和恰当的点释放电子，因此电子都在波浪中。我们会在我们希望的时间和地点让更多的电子进入波中，而不是在整个交互过程中统计分布，这就是我们的秘诀。"在这项实验中，研究人员使用了世界上最强大的脉冲激光器之一--德克萨斯皮塔瓦激光器（TexasPetawattLaser）。单个皮塔瓦激光脉冲的功率约为美国装机功率的1000倍，但持续时间只有150飞秒，不到闪电放电时间的十亿分之一。该团队的长期目标是用他们目前正在开发的激光器来驱动他们的系统，这种激光器可以放在桌面上，每秒可以重复发射数千次，从而使整个加速器比传统加速器更加紧凑，适用范围更广。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401663.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401663.htm

超小型粒子加速器用4英寸距离完成原本需要1.9英里的工作

超小型粒子加速器用4英寸距离完成原本需要1.9英里的工作TAU系统公司首席执行官说："这种紧凑型先进的加速器还需要一个巨大的激光器来运行--在这种情况下，德克萨斯州佩塔瓦激光器（TexasPetawattLaser）就位于奥斯汀德克萨斯大学高能量密度科学中心的一个34英尺（10米）长的台子上。"作为世界上最强大的激光器之一，这台"巨兽"能发射出超强激光束，其能量约为全美国装机容量的1000倍，但每小时只能发射一次，而且只能持续150飞秒，即闪电放电时间的十亿分之一。TAU的设备不到66英尺（20米）长，发射出的光束高达10GeV。它使用的是1979年首次描述的改进版若飞加速技术，目前许多加速器项目都在使用这种技术。普通粒子加速器实际上是一系列环，当给它们施加正电压时，就能吸引电子。这些环依次通电，以越来越快的速度将电子拉过隧道，每个环在电子到达之前都会关闭。电子诊断装置，包括一个气室、一个偶极磁铁和两个闪烁屏DRZ1和DRZ2。整个装置放置在真空室中。激光和电子束从右向左传播。激光驱动的加速器或多或少会将光脉冲本身变成光速电磁铁，使粒子追随其后，在极短的距离内聚集超常的速度和能量。TAU的设备使用一个充满氦气的小室。当Petawatt激光器发射光脉冲穿过这些气体时，脉冲的巨大能量会将气体电离成等离子体。当它穿过等离子体时，脉冲会在身后留下一道尾迹，就像船在水中行驶时留下的尾迹一样，只不过在这种情况下，它会产生一道极其强大的电荷波动尾迹。如果在适当的时候注入一个电子，这些巨大的移动电荷就会在光脉冲后面拉动和推动它，耗尽原始激光脉冲的能量（但不是速度），并将其转移到加速的电子上，推动它在很短的距离内达到"光速的一大部分"。TAU在这一装置中取得的关键进展是采用了辅助烧蚀激光器，该激光器可向气室内的金属板发射精确定时的脉冲串，向气室注入金属纳米粒子流，从而在电子跟随激光脉冲串移动的过程中增强其能量。532纳米激光穿过顶窗聚焦到金属板表面，通过激光烧蚀产生纳米粒子。德克萨斯大学奥斯汀分校物理学副教授兼TAU系统公司首席执行官比约恩-"曼努埃尔"-赫格利奇（Bjorn"Manuel"Hegelich）说："要进入大浪而不被压倒是很难的，所以冲浪者会被水上摩托艇拖入浪中。"在我们的加速器中，相当于喷气滑雪板的是纳米粒子，它们能在正确的时间和正确的点释放电子，因此它们都在波浪中。我们能让更多的电子在我们希望的时间和地点进入波中，而不是在整个相互作用过程中统计分布，这就是我们的秘诀。"赫格利希和他的团队正在开发自己的桌面大小的激光系统，他们说这将使整个系统更加紧凑，每秒将发射数千次，而不是每小时一次。那么，超小型高能粒子加速器有什么用呢？也许是用来驱动X射线自由电子激光器，它有可能拍摄原子或分子尺度的慢动作视频。它还可以用来测试用于太空飞行的电子元件是否能经受住辐射的考验，对半导体芯片设计的内部结构进行三维成像，并有可能开发出新的癌症治疗方法和先进的医学成像技术。该团队的研究论文发表在《极端物质与辐射》（MatterandRadiationatExtreme）杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1400375.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1400375.htm

科学家研发全球最小粒子加速器

科学家研发全球最小粒子加速器科学家近日成功研发出了全球首台纳米光子电子加速器（NEA），相干地结合了粒子加速和横向束约束，可以在225nm宽的通道中，加速和引导电子超过500μm的距离。这台NEA由一个小型微芯片组成，内部装有更小的真空管，该真空管由数千个单独的“柱子”组成，研究人员可以通过向这些柱子发射微型激光束来加速电子。这台NEA主加速管长约0.02英寸（0.5毫米），相比较欧洲核子研究组织大型强子对撞机（LHC）的16.8英里（27公里），仅为5400万分之一。微小隧道的内部宽度仅为225纳米左右（人类头发的厚度为80000至100000纳米）。该科研项目由德国埃尔朗根-纽伦堡大学，以色列耶路撒冷希伯来大学和德国马克斯・普朗克光科学研究所共同推进，在实验中观察到最大相干能量增益为12.3keV，相当于从最初的28.4keV增加到40.7keV，能量增加了43%。来源，频道：@kejiqu群组：@kejiquchat

中国可能在 2027 年建造世界最大粒子加速器

中国可能在2027年建造世界最大粒子加速器中国希望三年内开始建造世界最大粒子加速器。100公里长的CircularElectronPositronCollider(CEPC)设计精确测量希格斯玻色子。CEPC的提案将于明年递交给政府，可能会包含在下一个五年计划中。根据本月初公开的技术设计报告，如果赢得政府支持，加速器的建造将于2027年启动，预计花费十年时间，耗资364亿元人民币。而欧盟计划中的下一代加速器FutureCircularCollider(FCC)预计花费170亿欧元，其建造工作预计要到2030年代。CEPC将以极高的能量对撞正反电子，产生数以百万计的希格斯玻色子，允许科学家比以往任何时候更仔细的研究这种赋予万物质量的粒子。由于地缘政治紧张局势，CEPC面临的一大障碍是国际支持，今天中国很多大型物理设施中外国研究人员已经占到了三到五成。来源，频道：@kejiqu群组：@kejiquchat

【书名】上帝粒子

【书名】上帝粒子【作者】利昂·莱德曼，迪克·泰雷西【格式】#epub#mobi#azw3#pdf【分类】#科普#物理学#权威#通俗读物#世界观【简介】本书从古希腊哲学家德谟克利特的“原子”理论开始讲起，追述了从伽利略到牛顿、再到麦克斯韦和法拉第等一代代经典物理学家对基本粒子的探索过程。其后量子理论的诞生，在物理学领域掀起了一场革命；而大型粒子加速器的出现，又使得粒子物理学的研究进入了一个新的时代。惊人的成果不断涌现，人类向着宇宙终极粒子和万物理论不断迈进，若能成功找到希格斯玻色子，即“上帝粒子”，则无疑意味着这条探索之路上的一次前所未有的巨大飞跃……：：@sharebooks4you