乘風破浪的電子:電漿尾場加速器

圖片來源:CERN.

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))。

圖一、利用加速器研究粒子內部示意圖。(a)將兩顆核桃高速碰撞,大量碎片可以透露其內部組成。(b)將兩個粒子高速碰撞,用來研究內部結構。右圖為使用GEANT4程式,電腦模擬質子束對撞之情形。圖片來自筆者繪製、重製於Pixabay公開圖片、ATLAS偵測器公開圖片。

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。

圖二、電漿尾場形成示意圖。(a)高能量雷射進入電漿中,將前進路徑上的電子排開。(b)電子在雷射後方形成泡泡狀構造。(c)泡泡中的大量正電荷與後方電子之前,形成極強的電場(尾場)。圖片來源:筆者繪。

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

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