激光加速低能電子：有望縮小微型粒子加速器

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激光加速低能電子：有望縮小微型粒子加速器

據報道，借助激光和“芯片上的加速器”設計理念，科學家將能在鞋盒大小的區域進行實驗，用于探索平行宇宙和搜尋“上帝粒子”。

借助高能粒子加速器科學家或可發現平行宇宙，然而這些加速器通常都重達數千噸且占地面積大。斯坦福大學等機構科學家最新計劃利用石英芯片和激光技術制造微型粒子加速器，加速器體積和重量的大幅縮減使得研究人員更易掌控操作粒子科學實驗。

這項新設計或將大幅縮減粒子加速器的體積和重量。借助激光和“芯片上的加速器”設計理念，科學家將能在鞋盒大小的區域進行實驗，用于探索平行宇宙和搜尋“上帝粒子”。長久以來，物理學家一直致力于粒子加速器實驗，以探索從先進醫學技術到物質新形態等各種新事物。然而，粒子加速器龐大沉重且造價高昂，如歐洲粒子物理研究所的大型強子對撞機重約38 000 t，且深埋于地下，長達27 km，令研究人員難以接觸使用。近日，戈登和貝蒂-摩爾基金會向斯坦福大學科學家捐贈了1 350萬美元，用于設計打造一個微型粒子加速器。據稱，在未來5年內，一個通過國際合作完成的原型將能產生微型加速器的能量，大小相當于醫院放射機器所產生的能量。不過研究人員表示，最終還是會增大這種微型加速器的規模，以媲美當今全球最強大的粒子加速器。

最近幾個月來，歐洲粒子物理研究所大型強子對撞機一直在高強度運作，搜尋微型黑洞。高能粒子加速器能夠搜尋微型黑洞，因此被認為是探索“多宇宙”跡象的關鍵。如果科學家能夠以預測的能量在加速器中探測到微型黑洞，就可以證明多維度的存在，并延伸推斷平行宇宙的存在。歐洲粒子物理研究所科學家默-法伊扎爾解釋說：“打個簡單的比方，紙張是擁有長寬的二維物體，而許多平行的紙張疊在一起，就以高度的形式存在于三維的平行世界中。我們預測，引力能夠滲入另一個維度。如果預測無誤的話，我們就能在大型強大對撞機中生成微型黑洞。”如今，大型強子對撞機的創記錄高能量使得搜尋這些微型黑洞成為可能，并可追蹤到消失在黑洞中的能量引力。然而，新的彩虹理論認為，擁有不同能量的粒子將面臨不同的時空和不同的引力場，這或許可以解釋大型強子對撞機至今仍未發現微型黑洞的原因。

在過去75年中，粒子加速器一直是科學家在物理、化學、生物和制藥等領域的一項重要研究工具，它們能夠解密先進醫藥技術，幫助科學家進一步了探究原子的內部工作原理。然而，受限于龐大的體積和高昂的造價，粒子加速器不易被科學家廣泛使用。歐洲粒子物理研究所研究人員表示，探測器可對大型強子對撞機中飛出的數十億粒子進行追蹤，因此有望發現除長度、寬度、深度和時間之外維度的蛛絲馬跡。

目前，粒子加速器均使用微波驅動粒子，因為微波擁有較長波長且發散空間廣泛。在新的實驗中，科學家用激光代替微波照射一塊石英玻璃芯片，這樣激光會與顯微鏡通道中的皺褶相互作用。美國SLAC國家加速器實驗室物理學家喬爾-英格蘭德是該五年項目的成員之一，他表示：“既然微芯片產業可以改革計算機，或許我們也能如此改革粒子加速器。縮小粒子加速器就是令它們變得體積更小，造價更低廉，一旦成功，加速器將變得平民化。”在實驗中，這種相互作用產生一個電場，提高經過電子的能量，這些電子以前在高能粒子加速器中都是被加速到接近光速。實驗顯示，在給定距離范圍里，芯片能實現的能量提升比SLAC直線加速器還要高出10倍。德國埃爾朗根-紐倫堡大學科學家研究發現，激光可被用來加速較低能的電子，這些低能電子以前在加速器中未被提升到最大速度。利用這種技術，科學家可將加速器芯片組合起來，足球場那么長的芯片就能替代長約3 219 m的直線加速器相干光源。如此一來，科學家將有望縮小下一代對撞機，如計劃中的日本國際直線對撞機，以進行物質新形態的探索。

該國際合作項目集合了加速器物理學、激光物理學、納米光子學和納米制造領域的世界知名專家，由斯坦福大學、SLAC國家加速器實驗室，以及埃爾朗根-紐倫堡大學等全球多個實驗室及大學合作，致力研發新一代“桌面型”粒子加速器。斯坦福大學應用物理學家羅伯特-拜爾表示：“激光能夠以阿秒量級加速電子，所用時間相當于電子繞行原子核的時間。借助這種精確方法，研究人員將能夠對原子中電子的環繞進行攝像，以便我們觀測電子的移動與結合。”