粒子加速器研究新進(jìn)展
不詳 ?佚名 ? 2010年08月01日 ? ?科學(xué)前沿
粒子加速器從誕生至今，推動(dòng)其發(fā)展的根本動(dòng)力在于探求人類面臨的四大基本問題，即：物質(zhì)、宇宙、生命的基本構(gòu)成和運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及人類思維的運(yùn)行規(guī)律。幾十年來在這一方面取得的最大成就是獲得幾個(gè)萬億電子伏特的束流，利用它們可以尋找 Higgs 粒子、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型等，但為了研究暗物質(zhì)、超對(duì)稱的破缺等有關(guān)物質(zhì)基本構(gòu)成的重大問題，還需要加速能量比現(xiàn)有高千倍的 PeV 量級(jí)、千萬億電子伏量級(jí)的加速器。常規(guī)粒子加速器由于存在電場擊穿的限制，加速梯度低于100MV/m，這樣一個(gè)目標(biāo)是現(xiàn)有常規(guī)加速器技術(shù)所難以達(dá)到的。
由于傳統(tǒng)加速器的局限性及其高昂的造價(jià)，在過去的幾十年里物理學(xué)家一直在探索新的粒子加速原理。80年來，我們已從手掌大小的回旋加速器發(fā)展到規(guī)模大十萬倍的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)，所需的力量已從一個(gè)實(shí)驗(yàn)室到上百億美元投入的國際合作，但要進(jìn)入千萬億量級(jí)的加速必須通過加速技術(shù)的一場革命才能達(dá)到，人們于是把希望寄托在激光等離子體加速器上。
因?yàn)榈入x子體本身是一個(gè)擊穿的狀態(tài)，所以加速電場可以比常規(guī)加速器高出千倍以上，從而可以提前幾十年實(shí)現(xiàn)千萬億電子伏量級(jí)的加速器。同時(shí)，激光等離子體加速還可能將同步光源、癌癥治療等應(yīng)用加速器的尺寸降低到“Table top size”（臺(tái)面尺寸），從而大大降低相關(guān)資源的投入。強(qiáng)激光場中的高電場梯度，早在上世紀(jì)70年代就引發(fā)了國內(nèi)外各種激光加速的嘗試，出現(xiàn)了各種激光等離子體加速的方案，近年來取得了令人矚目的成就，由激光等離子加速可以獲得1GeV的準(zhǔn)單能電子束，取得里程碑式的成果。由于質(zhì)子（離子）質(zhì)量遠(yuǎn)重于電子（約2000倍），難以被等離子體波俘獲并加速，因此十年多來加速器停留在60MeV、百分之百能散的水平上！
以北京大學(xué)顏學(xué)慶副教授、陳佳洱院士、郭之虞教授、陸元榮教授和中科院物理所，上海交通大學(xué)的盛政明教授為主的研究小組最近在激光加速領(lǐng)域取得了一系列理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，該系列結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在美國《物理評(píng)論快報(bào)》上。研究發(fā)現(xiàn)超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用時(shí)存在一種穩(wěn)相加速機(jī)制：當(dāng)激光歸一化場振幅矢量與靶的歸一化面密度相當(dāng)時(shí)，激光可以如常規(guī)加速器一樣對(duì)離子進(jìn)行加速和縱向聚束，從而可以產(chǎn)生高品質(zhì)的高能單色離子。顏學(xué)慶與合作者成功地進(jìn)行了首次原理論證性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中得到了20～40MeV的準(zhǔn)單能質(zhì)子束和30MeV的準(zhǔn)單能碳離子束，首次證實(shí)了這一加速機(jī)制的存在。與此同時(shí)，研究小組發(fā)現(xiàn)利用等離子體橫向不穩(wěn)定性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)離子的中心聚束，借此可以產(chǎn)生自聚焦的納庫級(jí)質(zhì)子束，理論上解決了中心擊穿的問題，從而可以將離子加速到更高能量。研究表明，穩(wěn)相加速方法可以產(chǎn)生納庫級(jí)自聚焦GeV準(zhǔn)單能的質(zhì)子束，并有望通過多階段加速得到萬億電子伏特（TeV）甚至千萬億電子伏特量級(jí)的質(zhì)子束。這一系列研究對(duì)離子癌癥治療、激光核聚變快點(diǎn)火和新概念加速器等研究將產(chǎn)生重要影響。
顏學(xué)慶，1999年本科畢業(yè)于清華大學(xué)工程物理系，2004年6月獲得北京大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)為北京大學(xué)物理學(xué)院核物理與核技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授，博士生導(dǎo)師。主要從事加速結(jié)構(gòu)和加速器動(dòng)力學(xué)等方面的研究工作，近年來開始探索超強(qiáng)激光與等離子相互作用過程中粒子的產(chǎn)生、加速、輻射以及高能粒子束在癌癥治療和慣性核約束聚變快點(diǎn)火中的應(yīng)用研究。在國內(nèi)外專業(yè)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，國際和國內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議邀請報(bào)告20多次。2005年獲北京大學(xué)優(yōu)秀青年加速器工作者獎(jiǎng)，2007年入選北京市科技新星計(jì)劃（A）和獲中國核物理學(xué)會(huì)授予的“胡濟(jì)民教育科學(xué)獎(jiǎng)”， 2008年獲鐘盛標(biāo)物理教育基金青年教師獎(jiǎng)，同年獲德國洪堡研究基金資助，2009年獲得第十屆北京市青年優(yōu)秀科技論文一等獎(jiǎng)。
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