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工物系在反物质加速研究领域取得重大原理突破
发布时间:2021-12-15

近日,清华大学工物系鲁巍教授与高能所CEPC加速器联合团队在反物质尾波加速研究中取得重大原创突破,在国际上首次提出了一种能够稳定高效率地对电子反物质—正电子—进行高品质均匀加速的物理方案(图1)。自尾波加速概念提出四十年来,如何稳定高效的实现高品质正电子加速一直缺乏原理性方案,而这恰恰是尾波加速通向未来新型高能对撞机最关键的一环。相关论文评阅专家对这一工作给出极高评价,认为该方案“是迈向稳定正电子加速的重要一步,打破固有概念框架束缚,有望成为未来正电子加速技术的基石。”

图1.电子反物质-正电子-高效均匀尾波加速方案示意图

粒子加速器与对撞机是人类探索微观世界物质起源与构成的关键手段,约有三分之一物理诺贝尔奖直接得益于粒子加速器相关工具。2012年,希格斯玻色子的发现,就是在欧洲核子中心(CERN)周长27公里的大型强子对撞机LHC上做出的。对希格斯玻色子开展深入精确研究,是粒子物理下一个主要目标。欧洲核子中心在《2020欧洲粒子物理战略》中明确指出,建造基于正负电子对撞机的“希格斯工厂”是未来粒子物理最高优先目标。

建造希格斯工厂是对人类科学与工程能力极限的挑战,国际竞争异常激烈。早在2005年,国际直线对撞机(ILC)方案就已开始深入论证。随着希格斯粒子的发现,环形对撞机方案又再次引起关注。2012年9月中科院高能物理研究所的科学家们率先提出了环形正负电子对撞机的中国方案CEPC。之后欧洲核子中心的科学家们也提出了基本结构与CEPC非常类似的未来环形对撞机方案FCC-ee。经六年深入研究,CEPC工作组于2018年正式发布《CEPC概念设计报告》,系统阐述了环形方案相比直线对撞机在性能与造价上的优势。为充分利用加速器最新技术降低CEPC的规模与造价,CEPC加速器团队于2017年就与清华大学鲁巍教授团队合作,探索利用等离子体尾波加速器作为CEPC高能注入器的可能性,并将初步方案以附录形式在《CEPC概念设计报告》中发表。有趣的是,这与2020年《欧洲粒子物理战略》将等离子体尾波加速器技术列为对撞机未来优先发展关键技术不谋而合。

等离子体尾波加速是近年来发展迅猛的一项突破性技术,具有高于传统微波加速器技术3个量级的超高加速梯度,因而有望大幅度缩小大型高能加速器的规模及建造成本。特别是在电子加速器方面,尾波加速取得系列重大突破,在能量、加速效率及束流品质等关键指标方面已有接近对撞机束流参数的可行方案(图2)。然而,对于电子的反物质——正电子,如何获得与电子加速类似的高品质加速却是一个一直悬而未决的关键挑战。美国能源部2016年发布的《先进加速发展战略报告》中就明确指出:基于尾波加速的高能对撞机面临的最大挑战是“理解并验证正电子加速”。

图2.等离子体尾波电子加速取得系列重大突破

在CEPC高能等离子体注入器研究牵引下,清华大学与高能所CEPC加速器联合团队针对正电子加速这一关键挑战开展了系统深入的持续探索,率先在世界范围内发现了一种能够实现高效率高品质正电子加速的原创方案。该方案巧妙利用中空等离子体结构与非对称驱动电子束间的相互作用,获得了可用于正电子加速的稳定尾波结构。在此基础上,通过正电子束与等离子体尾波边界层电子的自洽作用,实现了对正电子束流的高效率均匀加速(图3)。方案一经提出,即获得国际同行高度关注,被普遍认为是尾波加速领域的一项重大概念突破。

图3.高效率均匀正电子尾波加速原理的三维粒子模拟验证

 

该研究方案以“基于中空等离子体通道中稳定非对称模的高效率均匀正电子加速”(High Efficiency Uniform Wakefield Acceleration of a Positron Beam Using Stable Asymmetric Mode in a Hollow Channel Plasma)为题在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表,并被选为编辑推荐论文。清华大学工物系鲁巍教授为本文通讯作者,工物系2015级博士生周诗宇为论文第一作者。研究得到了中科院粒子物理前沿卓越创新中心基金项目及基金委自然科学基金支持。模拟工作在清华高性能计算平台上完成。


论文链接:

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.174801






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