seline;"> 在勞倫(lun) 斯伯克利國家實驗室進行的激光等離子體(ti) 實驗正在推動更緊湊和更經濟的粒子加速，為(wei) 高能機器提供動力 - 如X射線自由電子激光器和粒子碰撞器 - 可以讓研究人員更清楚地看到分子、原子、甚至亞(ya) 原子粒子的尺度。

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seline;"> 在伯克利實驗室激光加速器（BELLA）中心使電子加速到7.8 GeV的新紀錄，超過了BELLA 在2014年宣布的4.25 GeV結果。最新研究詳見2月25日的《物理評論快報》期刊。記錄結果是在2018年夏天實現的。

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seline;"> 該實驗使用了極其強烈和短的“驅動”激光脈衝(chong) ，每個(ge) 脈衝(chong) 的峰值功率約為(wei) 850萬(wan) 億(yi) 瓦特，並且脈衝(chong) 長度約為(wei) 35千萬(wan) 億(yi) 分之一秒（35飛秒）。峰值功率相當於(yu) 同時點亮大約8.5萬(wan) 億(yi) 個(ge) 100瓦的燈泡，盡管燈泡隻能點亮幾十飛秒。

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seline;"> 每一個(ge) 強烈的激光脈衝(chong) 都會(hui) 產(chan) 生一股沉重的“kick”，在等離子體(ti) 內(nei) 產(chan) 生一股波 - 這種氣體(ti) 已被加熱到足以產(chan) 生帶電粒子的氣體(ti) ，包括電子。電子順著等離子體(ti) 的波峰，就像順著海浪的衝(chong) 浪者一樣，在20厘米長的藍寶石管內(nei) 達到破紀錄的能量。

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seline;"> “僅(jin) 僅(jin) 製造大型等離子體(ti) 波是不夠的，”最新研究的第一作者Anthony Gonsalves指出。“我們(men) 還需要在20厘米管的整個(ge) 長度上創建這些波，以便將電子加速到如此高的能量。”

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seline;"> 要做到這一點，需要一個(ge) 等離子通道，它將激光脈衝(chong) 限製在與(yu) 光纖通道光線相同的方式。但與(yu) 傳(chuan) 統光纖不同，等離子體(ti) 通道可以承受加速電子所需的超強激光脈衝(chong) 。為(wei) 了形成這樣的等離子體(ti) 通道，需要在中間使等離子體(ti) 密度較小。

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seline;"> 在2014年的實驗中，放電用於(yu) 產(chan) 生等離子體(ti) 通道，但為(wei) 了達到更高的能量，研究人員需要等離子體(ti) 的密度分布更深 - 因此它在通道中間密度較小。在之前的嚐試中，激光失去了緊密的焦點並損壞了藍寶石管。Gonsalves指出，即使激光束聚焦的較弱區域 - 即所謂的“翅膀” - 也足以用先前的技術破壞藍寶石結構。

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seline;"> BELLA中心主任Eric Esarey表示，這個(ge) 問題的解決(jue) 方案受到了20世紀90年代的一個(ge) 想法的啟發，即使用激光脈衝(chong) 加熱等離子體(ti) 並形成通道。這項技術已被用於(yu) 許多實驗，包括2004年伯克利實驗室的努力，產(chan) 生了高達100 MeV的高質量光束。

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seline;"> 參與(yu) 最新工作的團隊和2004年的團隊和均由前ATAP和BELLA中心主任Wim Leemans領導，他現在在德國的DESY實驗室工作。研究人員意識到，將兩(liang) 種方法結合起來 - 將加熱器束放在微管中心 - 可進一步加深和縮小等離子體(ti) 通道。這為(wei) 實現更高能量的光束提供了前進的道路。

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seline;"> 在最新的實驗中，Gonsalves表示：“放電使我們(men) 能夠精確控製加熱器激光脈衝(chong) 的等離子體(ti) 條件。放電時間、加熱器脈衝(chong) 和驅動脈衝(chong) 是至關(guan) 重要的。”

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seline;"> 這種組合技術從(cong) 根本上改善了激光束的限製，保留了激光束的強度和焦距，並且當它穿過等離子管時，其光斑尺寸或直徑僅(jin) 限於(yu) 幾十分之一米。這使得能夠使用較低密度的等離子體(ti) 和較長的通道。之前的4.25 GeV記錄使用了9厘米的通道。

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seline;"> 該團隊需要新的數值模型（代碼）來開發該技術。包括伯克利實驗室，俄羅斯Keldysh應用數學研究所和捷克共和國ELI-Beamlines項目在內(nei) 的合作改編並整合了多個(ge) 代碼。他們(men) 將在Keldysh研究所開發的MARPLE和NPINCH結合起來，模擬了通道的形成; 在BELLA中心開發的INF和RNO用於(yu) 模擬激光 - 等離子體(ti) 相互作用。

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seline;"> INF＆RNO的首席開發人員Carlo Benedetti表示：“這些代碼幫助我們(men) 快速了解了最大的不同之處 - 能夠實現指導和加速的因素是什麽(me) 。” 他指出，一旦顯示的代碼與(yu) 實驗數據一致，就可以更容易地解釋實驗。

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seline;"> Gonsalves稱：“現在正處於(yu) 模擬可以引導並告訴我們(men) 下一步該做什麽(me) 的時刻。”

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seline;"> Benedetti指出，代碼中的繁重計算利用了伯克利實驗室的國家能源研究科學計算中心（NERSC）的資源。未來推進更高能量加速的工作可能需要更加密集的計算，這種計算接近稱為(wei) 百億(yi) 億(yi) 次計算的製度。

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seline;"> Esarey則表示：“今天，產(chan) 生的光束可以產(chan) 生和捕獲正電子。”他指出，BELLA的目標是在電子加速中達到10 GeV能量，未來的實驗將針對這個(ge) 閾值甚至更高。他表示：“未來，電子加速的多個(ge) 高能階段可以耦合在一起，實現電子 - 正電子對撞機，以新的精度探索基礎物理。”

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seline;"> 加州大學伯克利分校和俄羅斯國家核研究大學的研究人員也參與(yu) 了這項研究。這項工作也得到了能源部科學辦公室，亞(ya) 曆山大·馮(feng) ·洪堡基金會(hui) 和國家科學基金會(hui) 的支持。