借助“改变游戏规则”的激光器，可以实现功能更强大，体积更小的粒子加速器

该图描绘了LLE研究人员概述的方法轮廓，该方法以使电子加速以在非常短的距离内记录能量的方式对强激光进行整形。一个超短脉冲（黄色）向右传播并从一个放射状梯形（最右边的元素）反射，控制每个环从无轴突（axiparabolla）（最左边的元素）反射之后聚焦的时间。

通过观察已经被加速到极高能量的电子，科学家们能够解开有关组成我们宇宙的粒子的线索。

然而，在实验室环境中将电子加速到如此高的能量是具有挑战性的：通常，电子的能量越高，粒子加速器就越大。例如，为了发现希格斯玻色子-最近观察到的负责宇宙质量的“上帝粒子”，瑞士CERN实验室的科学家使用了近17英里长的粒子加速器。

但是，如果有一种方法可以缩小粒子加速器的尺寸，在距离的一小部分内产生高能电子呢？

在《物理评论快报》上发表的一篇论文中，罗切斯特大学激光能量学实验室（LLE）的科学家概述了一种形成强激光的方法，该方法可以使电子在很短的距离内加速以记录能量：研究人员估计，加速器会比拟议中的记录类似能量的装置小10,000倍，从而将加速器从罗德岛（Rhode Island）的长度减少到餐桌的长度。有了这项技术，科学家们可以进行桌面实验来探测希格斯玻色子，或者探索存在额外的维度和新的粒子，这些粒子可能导致阿尔伯特·爱因斯坦实现关于宇宙的统一理论的梦想。

LLE的科学家，论文的主要作者约翰·帕拉斯特罗（John Palastro）说：“研究基本粒子物理学需要更高能的电子。”“电子加速器为宇宙基本组成部分所居住的亚原子世界提供了窥视镜。”

尽管目前这项研究只是理论上的研究，但LLE正在努力通过计划在LLE上建造世界上功率最高的激光器来使其成为现实。这款名为EP-OPAL的激光器将使研究人员能够创建出本文所述的极其强大的雕刻光脉冲和技术。

研究人员概述的电子加速器依靠一种革命性的技术来雕刻激光脉冲的形状，从而使它们的峰值传播的速度快于光速。

LLE的资深科学家，论文的作者之一达斯汀·弗洛拉（Dustin Froula）表示：“这项技术可以使电子加速到超过现有技术所能达到的水平。”

为了雕刻激光脉冲，研究人员开发了一种新颖的光学装置，类似于圆形圆形剧场，具有波长大小的“台阶”，用于在从高功率激光器发出的同心圆环之间产生时间延迟。

典型的透镜将来自激光的每个光圈聚焦到距透镜的单个距离，从而形成一个高强度光的单点。但是，研究人员没有使用典型的透镜，而是使用了形状奇特的透镜，这使他们可以将每个光环聚焦到距透镜不同的距离，从而形成一条高强度的线，而不是一个光点。

当经过雕刻的光脉冲进入等离子体（自由移动的电子和离子的热汤）时，它会产生唤醒，类似于摩托艇后面的唤醒。这种苏醒以光速传播。就像滑水者在船尾航行一样，然后电子在经过雕刻的激光脉冲的尾随时加速。

这些“激光尾场加速器”（LWFA）于40年前首次被理论化，并通过by脉冲放大（CPA）的发明得到了发展，chi脉冲放大（CPA）是LLE于2018年诺贝尔奖获得者Donna Strickland和Gerard Mourou共同开发的技术。

然而，以前版本的LWFA使用的是传统的，非结构化的光脉冲，其传播速度比光速慢，这意味着电子将超越尾流，从而限制了其加速度。新雕刻的光脉冲实现了比光速更快的速度，因此电子可以无限期地绕过尾流并不断被加速。

LLE的主管迈克尔·坎贝尔说：“这项工作极富创新性，将改变激光加速器的游戏规则。”“这项研究表明，与杰出的激光科学家和工程师紧密合作，理论和实验等离子体物理学的价值-代表了LLE文化的精华。”

参考：J.P. Palastro，J.L。Shaw，P.Franke，D.Ramsey，T.T。Simpson和D.H. Froula的“无相位激光Wakefield加速”，2020年3月31日，《物理评论快报》。
10.1103 / PhysRevLett.124.134802

这项研究得到了美国能源部（DOE）聚变能源科学办公室和纽约州能源研究与开发管理局的支持。

LLE于1970年在大学成立，是美国最大的以美国能源部大学为基础的研究计划。作为国家资助的设施，LLE在国家核安全局的“储备管理计划”的支持下进行内爆和其他实验，以探索聚变作为未来的能源，开发新的激光和材料技术，并进行研究并开发与高能量密度现象有关的技术。