Heavy ion driven plasma wakefield acceleration with drift-like phase-shift acceleration scheme
本文提出并验证了一种用于重离子驱动等离子体尾场加速的漂移式相位移动加速方案，该方案利用分段等离子体腔来克服去相位限制，并成功将电子从 16 MeV 加速至 720 MeV 以上，且具有高束流质量。
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高能物理学旨在揭示自然的根本规律，探测物质最微小的构建模块以及将它们结合在一起的力量。为此，科学家们依赖粒子加速器——这些巨大的机器将粒子以惊人的速度碰撞在一起。其中最强大的大型强子对撞机长达27公里，建造和运行成本高达数十亿美元。尽管这些机器已经揭示了深刻的真理，但其庞大的规模和高昂的成本限制了我们进一步拓展能量边界的能力。一种极具前景的替代方案是使用等离子体（即构成恒星的热电离气体）来加速粒子。在这种方法中，一股强大的粒子束或激光脉冲在等离子体中穿行，产生类似于船后波浪的波纹。这种波纹产生的电场比传统机器中的电场强数千倍，有望将未来的加速器从城市规模缩小到建筑规模。然而，一个主要的障碍仍然存在：被加速的粒子往往会过快地与波形失去同步，在达到高能量之前就失去了动量。
长期以来，研究人员一直试图通过改变等离子体的密度来解决这个时序问题，希望让粒子在正确的位置停留更长时间。但这种方法存在缺陷：随着等离子体变得更加密集，波本身的结构也会开始崩溃，从而削弱加速效果。在一项新的研究中，一组物理学家提出了一种不同的策略来让粒子保持在轨道上。他们建议不是不断调整等离子体，而是暂时将其完全移除。通过在等离子体团块之间插入真空段，被加速的粒子可以自由漂移，从而超过产生波的驱动束。这使得它们能够在下一次波准备好再次推动它们时，恰好重新进入下一个等离子体段，而不是掉入减速区。
该团队利用基于中国高强度重离子加速器设施设计的计算机模拟测试了这个想法。他们使用一束重铋离子作为驱动源，这一选择提供了巨大的能量来驱动波纹。在他们的理想化模拟中，他们在由这些离子产生的波中放入了一小簇电子。随着电子获得速度，它们接近了通常会与波失去同步的点。在这一关键时刻，模拟引入了一个真空间隙。由于没有了等离子体，波消失了，电子在空旷的空间中漂移。由于重离子移动的速度略低于光速，而电子的移动速度接近光速，电子自然地向前领先。当它们重新进入等离子体时，它们已经移动到了一个位置，在那里波可以再次推动它们前进。
模拟结果令人瞩目。电子从16 MeV的初始能量开始，在仅1.65米的路程内被加速到了700 MeV。至关重要的是，电子之间的能量分布保持紧凑，约为5%，这意味着粒子束保持了聚焦和均匀。研究人员还进行了更复杂的模拟，其中包含了被称为“等离子透镜”的现实聚焦磁铁，这在实际实验中对于防止粒子束扩散是必要的。在这次更严谨的测试中，电子在1.67米内达到了720.5 MeV，且能量分布更加紧凑，仅为3.3%。在这些模拟过程中，加速波的强度始终保持强劲，没有表现出通常困扰其他方法的退化现象。
这种方法为克服等离子体加速的距离限制提供了一条可行的路径。通过使用真空间隙来重置驱动束与被加速束之间的时序，研究人员证明，让粒子保持在加速相位中比以往认为的可能时间要长得多。模拟表明，这种方法可以允许单级加速将粒子束的能量从驱动束的尾部连续延伸到头部。虽然这些发现目前仅限于计算机模型，但它们为未来的实验提供了具体的蓝图。如果能在实验室中实现，这项技术将有助于在极小的空间内产生高能、高质量的粒子束，使紧凑型、强力粒子对撞机的梦想离现实更近一步。
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