清華新聞網(wǎng)12月15日電 近日，清華大學(xué)工物系魯巍教授與高能所CEPC加速器聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在反物質(zhì)尾波加速研究中取得重大原創(chuàng)突破，在國(guó)際上首次提出了一種能夠穩(wěn)定高效率地對(duì)電子反物質(zhì)—正電子—進(jìn)行高品質(zhì)均勻加速的物理方案（圖1）。自尾波加速概念提出四十年來(lái)，如何穩(wěn)定高效的實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)正電子加速一直缺乏原理性方案，而這恰恰是尾波加速通向未來(lái)新型高能對(duì)撞機(jī)最關(guān)鍵的一環(huán)。相關(guān)論文評(píng)閱專(zhuān)家對(duì)這一工作給出極高評(píng)價(jià)，認(rèn)為該方案“是邁向穩(wěn)定正電子加速的重要一步，打破固有概念框架束縛，有望成為未來(lái)正電子加速技術(shù)的基石?！?/p>
圖1.電子反物質(zhì)-正電子-高效均勻尾波加速方案示意圖
粒子加速器與對(duì)撞機(jī)是人類(lèi)探索微觀(guān)世界物質(zhì)起源與構(gòu)成的關(guān)鍵手段，約有三分之一物理諾貝爾獎(jiǎng)直接得益于粒子加速器相關(guān)工具。2012年，希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，就是在歐洲核子中心（CERN）周長(zhǎng)27公里的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC上做出的。對(duì)希格斯玻色子開(kāi)展深入精確研究，是粒子物理下一個(gè)主要目標(biāo)。歐洲核子中心在《2020歐洲粒子物理戰(zhàn)略》中明確指出，建造基于正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的“希格斯工廠(chǎng)”是未來(lái)粒子物理最高優(yōu)先目標(biāo)。
建造希格斯工廠(chǎng)是對(duì)人類(lèi)科學(xué)與工程能力極限的挑戰(zhàn)，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。早在2005年，國(guó)際直線(xiàn)對(duì)撞機(jī)（ILC）方案就已開(kāi)始深入論證。隨著希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，環(huán)形對(duì)撞機(jī)方案又再次引起關(guān)注。2012年9月中科院高能物理研究所的科學(xué)家們率先提出了環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的中國(guó)方案CEPC。之后歐洲核子中心的科學(xué)家們也提出了基本結(jié)構(gòu)與CEPC非常類(lèi)似的未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)方案FCC-ee。經(jīng)六年深入研究，CEPC工作組于2018年正式發(fā)布《CEPC概念設(shè)計(jì)報(bào)告》，系統(tǒng)闡述了環(huán)形方案相比直線(xiàn)對(duì)撞機(jī)在性能與造價(jià)上的優(yōu)勢(shì)。為充分利用加速器最新技術(shù)降低CEPC的規(guī)模與造價(jià)，CEPC加速器團(tuán)隊(duì)于2017年就與清華大學(xué)魯巍教授團(tuán)隊(duì)合作，探索利用等離子體尾波加速器作為CEPC高能注入器的可能性，并將初步方案以附錄形式在《CEPC概念設(shè)計(jì)報(bào)告》中發(fā)表。有趣的是，這與2020年《歐洲粒子物理戰(zhàn)略》將等離子體尾波加速器技術(shù)列為對(duì)撞機(jī)未來(lái)優(yōu)先發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)不謀而合。
等離子體尾波加速是近年來(lái)發(fā)展迅猛的一項(xiàng)突破性技術(shù)，具有高于傳統(tǒng)微波加速器技術(shù)3個(gè)量級(jí)的超高加速梯度，因而有望大幅度縮小大型高能加速器的規(guī)模及建造成本。特別是在電子加速器方面，尾波加速取得系列重大突破，在能量、加速效率及束流品質(zhì)等關(guān)鍵指標(biāo)方面已有接近對(duì)撞機(jī)束流參數(shù)的可行方案（圖2）。然而，對(duì)于電子的反物質(zhì)——正電子，如何獲得與電子加速類(lèi)似的高品質(zhì)加速卻是一個(gè)一直懸而未決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。美國(guó)能源部2016年發(fā)布的《先進(jìn)加速發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告》中就明確指出：基于尾波加速的高能對(duì)撞機(jī)面臨的最大挑戰(zhàn)是“理解并驗(yàn)證正電子加速”。
圖2.等離子體尾波電子加速取得系列重大突破
在CEPC高能等離子體注入器研究牽引下，清華大學(xué)與高能所CEPC加速器聯(lián)合團(tuán)隊(duì)針對(duì)正電子加速這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)開(kāi)展了系統(tǒng)深入的持續(xù)探索，率先在世界范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)高效率高品質(zhì)正電子加速的原創(chuàng)方案。該方案巧妙利用中空等離子體結(jié)構(gòu)與非對(duì)稱(chēng)驅(qū)動(dòng)電子束間的相互作用，獲得了可用于正電子加速的穩(wěn)定尾波結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)正電子束與等離子體尾波邊界層電子的自洽作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)正電子束流的高效率均勻加速（圖3）。方案一經(jīng)提出，即獲得國(guó)際同行高度關(guān)注，被普遍認(rèn)為是尾波加速領(lǐng)域的一項(xiàng)重大概念突破。
圖3.高效率均勻正電子尾波加速原理的三維粒子模擬驗(yàn)證
該研究方案以“基于中空等離子體通道中穩(wěn)定非對(duì)稱(chēng)模的高效率均勻正電子加速”（High Efficiency Uniform Wakefield Acceleration of a Positron Beam Using Stable Asymmetric Mode in a Hollow Channel Plasma）為題在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上發(fā)表，并被選為編輯推薦論文。清華大學(xué)工物系魯巍教授為本文通訊作者，工物系2015級(jí)博士生周詩(shī)宇為論文第一作者。研究得到了中科院粒子物理前沿卓越創(chuàng)新中心基金項(xiàng)目及基金委自然科學(xué)基金支持。模擬工作在清華高性能計(jì)算平臺(tái)上完成。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.174801
供稿：工物系
編輯：李華山
審核：呂婷
