乘風破浪的電子：電漿尾場加速器

在科幻小說《三體》中，外星文明「三體人」封鎖了地球上的粒子加速器，以封鎖地球的科技發展。到底粒子加速器是用來做什麼？目前發展上遇到那些限制，以及是否有新一代的加速器構想？

撰文／劉詠鯤

為了瞭解組成這個世界的成分，科學家們持續在探索微小的尺度。虎克藉由顯微鏡發現了細胞的存在，進而奠定了生物學的基礎。那在物理學中，了解微觀粒子世界的「顯微鏡」是什麼呢？就是加速器。

●微觀粒子世界的「顯微鏡」

為什麼研究基本粒子不能夠繼續使用顯微鏡呢？這是因為顯微鏡能看到物體，是利用光來進行觀測，而最小能觀測的尺度，大約是光的波長。但微觀粒子的大小，已經遠小於大部分光的波長，因此要了解它們的內部結構，必須使用其他的方式。如果我們想要了解一個核桃的內部結構，最直觀的想法，便是拿個槌子敲開它，讓它的內部構造暴露出來。對於微觀粒子來說也是如此，但我們可沒有這麼小的「槌子」可以敲開微觀粒子，那該怎麼辦呢？其實我們還可以讓兩顆核桃加速到非常高速，使它們對撞，撞的粉碎的同時，它們的組成成分就會顯露出來（如圖一(a)）。

看到這裡，讀者們應該也能想像為什麼粒子加速器可以研究粒子結構了。藉由將粒子加速到非常高速，再互相碰撞，粒子們撞的粉碎的同時，便能藉由分析這些碎片，來研究其內部組成。目前，世界上最大型的粒子加速器為大型強子對撞機（Large Hardron Collider, LHC），藉由周長約27公里的加速軌道，將粒子加速到極高速。相撞速度愈高，便能探測更微小的結構。因此，如果科學家們希望研究更微小的世界，就必須想盡辦法將粒子的速度再提升。但這意味著需要更長的加速軌道來進行加速。

讀者們也許會疑惑，為什麼加速器軌道要這麼長，而不能縮小呢？首先我們先簡單了解一下，目前主流的粒子加速器是如何加速粒子的：當帶電粒子在電場裡面，會受到力進而被推動加速，因此粒子加速器便是藉由產生穩定的電場，使得電子被持續加速。施加的電場強度愈強，帶電粒子便能在相同距離內，獲得更多的能量。然而，這個加速電場並不能無限制的增加，目前主流加速器使用材料所能承受的加速電場上限大約是在100百萬電子伏特/公尺（換句話說，若有一個電子在這樣的電場下，每一公尺可以獲得約一億電子伏特的能量）。若是想要將加速器縮小，那就必須找到可以承受更高加速電場的載體才行。很幸運的，的確有這樣的載體存在：電漿（Plasma）。

●電漿尾場加速器

電漿並不是特指某一種物質，而是物質的一種狀態。除了固、液、氣三態外，電漿被稱作「物體的第四態」。一般的物質由各種中性原子組成，帶負電的電子會被帶正電的原子核束縛在一定的範圍內。而電漿則是電子獲得足夠的能量，擺脫原子核的束縛，接近自由的移動著。在很多情況下，電漿可以被視為一種流體。例如在＜鴨子游泳為什麼要排成一排？＞文章中，我們提到鴨子媽媽在湖面游泳時，會在後方形成尾波，讓小鴨子可以乘在波浪上。在電漿中也存在類似的情況，當一束非常高能量的雷射光或是帶電粒子（以下我們稱其為驅動源）進入電漿中，也會形成尾波。若是我們能將電子準確的放入尾波的加速相位，便能讓電子如同小鴨子般乘在尾波上，獲得能量。這個便是新一代加速器：電漿尾場加速器（Plasma Wakefield Accelerator）背後的概念。

以下讓我們再更仔細了解一下尾波是如何產生，以及電子是如何被加速的：此處我們以雷射驅動源當作例子，其他帶電粒子的原理也十分接近。當非常高能量的雷射光進入電漿時，雷射的光壓如同一台推土機般，將路徑中的粒子排開（圖二a）。由於原子核的質量為電子的數千倍以上，在短時間內，原子核運動改變還不明顯，可以被視為靜止狀態；電子則會被迅速推離，在雷射光後方形成如同泡泡般的構造（圖二b）。此時，泡泡的邊緣是由帶負電的電子組成，泡泡中心由於電子都被趕走，只剩下帶正電的原子核。正負電之間，便能形成極強的電場（圖二c），大約可達到前述主流加速器電場的1000倍！得益於如此強的電場，電漿尾場加速器正挑戰著將原先數十公里長的加速器，縮小到數十公尺的大小，因此也被稱作是「新一代加速器」的有利候選人之一。

研究加速器的技術，除了可以讓我們的「顯微鏡」更加犀利、對於世界的構成有更深刻的認識外，也能在其他領域中大展身手。例如在＜定點爆破—質子治療中的物理＞一文中，我們曾提到質子治療有諸多優點，但是產生高能量質子束所需要的加速器非常龐大。若是新一代的加速器可以用更小的空間產生高品質的質子束，便能大幅降低普及這種新型治療手段的門檻。

參考資料：
[1] T. Tajima and J. M. Dawson, “Laser Electron Accelerator”, Phys. Rev. Lett. 43, 267. (1979).
[2] Pisin Chen et al., “Acceleration of Electrons by the Interaction of a Bunched Electron Beam with a Plasma”, Phys. Rev. Lett. 54,693. (1985)
[3] 泛科學-科學研究能吃嗎？粒子加速器的食用價值