粒子物理：新一輪復興？

粒子加速器變得越來越大，越來越昂貴。但現在可能有一種新方法，可以使它們更加輕便便宜。

雖然物理學家研究的是最小的物質，但在這80年來，他們不得不使用龐大的儀器。新粒子需要通過普通粒子（電子和質子）互相撞擊產生。想要的粒子越奇特，撞擊速度就必須越快。增大速度意味著要增加能量，所以需要更大的儀器。1931年，加州伯克利大學的 Ernest_Lawrence 制造了世界上第一台粒子回旋加速器，它的周長只有30釐米。而最新的粒子加速器－－歐洲強子研究組織（CERN，位於日內瓦附近）的實驗室裡的大型強子對撞機（LHC）－－的周長達到了27千米。LHC已經經過兩年升級，並將於三月份重新開放運行。

制造巨大的加速器需要巨額的資金。2008年開始運行的LHC花費了50億美元；另一個更大的儀器－－美國的超導超大型加速器（SSC）－－的周長按計劃將達到87千米，但到了1993年，在它所需要的隧道才挖了不到三分之一的時候該項目被中止了，這時候人們也已經花費了20億美元。粒子物理學家這時都很清楚，除非他們能夠大幅降低加速器的尺寸與費用，否則粒子物理學的研究就很難再繼續下去了。

這也正是他們現在嘗試的方向。CERN的一個課題組正在開展一項叫做AWAKE的合作項目，他們正在根據利用一種叫做尾場效應的現象來縮小加速器尺寸的方法進行實驗。相對於LHC，他們現在的設備在尺寸和威力上都與第一台粒子回旋加速器更接近。但是，即使按比例增大，尾場加速器也不會像LHC那麼大，因為它產生的撞擊相當於其體積30倍大的傳統加速器。

起來吧，發光吧！

現有的加速器是往分布著充滿電場的孔腔的真空管中發射帶電粒子束，每個電場都給經過的粒子一個撞擊。質子在環形加速器（比如LHC）中加速，也就是說它們都在孔腔旁經過好幾次；而電子加速器是直線型的。這種區別的原因是，粒子運動路徑（利用強磁場）彎曲時會向外輻射能量，輻射強度與粒子質量成反比，由於質子質量是電子的1836倍，後者的輻射損失要遠大於前者，所以電子加速器（物理學家仍然使用它，因為它能解答質子加速器不能解答的問題）需要特別長因而特別昂貴的管道與隧道。下一個計劃制造的電子加速器－－國際線性加速器（International Linear Collider，ILC）－－如果建成的話長度將會有31千米，但威力上仍比LHC小3%。所以AWAKE項目開始將注意力轉移到制造一個更好的電子加速器上來。

傳統加速器和尾場加速器的重要區別在於，後者的粒子運行管道並沒有被抽成真空，而是充滿了加熱到一定溫度的稀薄氣體，在該溫度下，原子失去部分電子變成離子，氣體變成了等離子體。這些等離子體可以用於激發合適的電場。

AWAKE合作項目成員打算使用放置在10米長管道裡的氣化銣（Rb，一種易離子化的元素）等離子體。他們將利用CERN已有的一個環形加速器往裡面發射一束又一束的高速質子。當這些帶正電荷的粒子高速穿過管道時，它們將會吸引等離子體中的自由電子（帶負電），在尾部形成一個富負電的區域。相應的，這個富負電區隨後會被一個由缺電子銣離子（帶正電）構成的富正電區包圍。這些跟在質子尾部的毗鄰帶電區將激發一個強電場，這個電場也因而被稱為＂尾場＂。這個電場可以用來給（和質子束輪流）射入的電子束加速。

根據AWAKE項目發言人Allen Caldwell（來自慕尼黑的馬克斯·普朗克物理學研究所）的說法，尾場加速器的電場將是ILC的100倍強，同等電場強度的尾場加速器大概只有1千米長。當然，它也需要獨立的環形加速器來提供質子，但用一個已有但不再用於其原有目地的儀器就可以了。

這些加速器短期內都不會出現。雖然尾場效應是1979年在被發現的，但早先利用該原理的嘗試都是用激光或電子而不是質子來穿透等離子體，他們雖然可以用在台式加速器上，但已被證明是很難做到按比例增大的。Caldwell博士的計算機模型顯示，質子加速器與之不同，它可以按比例縮放，但他們也表示這種加速器的制造會很復雜。足夠精確地控制質子與電子先後注入管道的速度是非常棘手的，直到最近才有足以模擬這一過程的計算機能力。因此，項目團隊認為，他們將需要六到七年制造一台作為開端的足夠可靠的加速器樣品。

在粒子物理學得規劃者眼中，尾場加速器是否會很快取代ILC依然是不確定的，他們可能並不願意將學科的未來賭在未經檢驗的技術上，這也不難理解。但是，如果他們的政治投資者不願意提供ILC預計要花費的80億美元，而AWAKE項目又不負眾望，那麼他們也就沒什麼選擇了。