遲早，這些野心將會(huì)陷入困境——除非一些花費(fèi)徹底便宜下來的新加速器技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

　　在不斷發(fā)展的高能物理隧道的盡頭，光還會(huì)是光嗎？該領(lǐng)域?qū)Ω鼜?qiáng)大加速器的追求正在與社會(huì)為其支付費(fèi)用的意愿相沖突。

　　高額投入帶來困境

　　瑞典日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究組織（CERN）中的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）擁有27公里長(zhǎng)的圓形隧道，探測(cè)器和教堂差不多大，其費(fèi)用有將近100億美元。接下來，物理學(xué)家想要建造一個(gè)31公里長(zhǎng)的國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)，費(fèi)用高達(dá)250億美元，并且他們還在探討建造更大的機(jī)器和更長(zhǎng)的隧道。遲早，這些野心將會(huì)陷入困境——除非一些花費(fèi)徹底便宜下來的新加速器技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。然而，一個(gè)歐洲物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)在簡(jiǎn)單的光纖激光器中看到了希望。

　ICAN 的激光器會(huì)使用成千上萬個(gè)光纖激光器。圖片來源：PHIL SAUNDERS

　　幾十年前，研究人員就已經(jīng)知道激光脈沖可以加速帶電粒子，但直到幾年前，他們才能用該方法產(chǎn)生足夠高質(zhì)量的粒子束。余下需要克服的問題就是數(shù)量：能夠在合理的效率下，以足夠高的重復(fù)率產(chǎn)生足夠強(qiáng)烈脈沖的激光并不存在。

　　現(xiàn)在，一些歐洲物理實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)盟稱，它們可以在不建造一個(gè)新的高能激光機(jī)器的情況下滿足必要的條件。這就需要使用光纖激光器——它們是電信行業(yè)的主力，并將其所有的產(chǎn)出結(jié)合成為一個(gè)超級(jí)粒子束。在歐盟為其長(zhǎng)達(dá)18個(gè)月的試點(diǎn)項(xiàng)目投資50萬歐元后，這些實(shí)驗(yàn)室使用64個(gè)光纖激光器順利合并光束。如果歐盟下一個(gè)7年研究預(yù)算允許（目前尚未敲定），他們希望用成千上萬個(gè)光纖擴(kuò)展建成一個(gè)全尺寸的激光器。

　　循序漸進(jìn)的嘗試

　　物理學(xué)家不僅到達(dá)了國(guó)家預(yù)算的極限，同時(shí)也到了技術(shù)的極限。為了尋找新的物理現(xiàn)象，他們最終會(huì)加速輕子——比如電子和正電子——至超過5TeV（5萬億電子伏特）的能量。不過，若想使用今天的技術(shù)到達(dá)這一步，將耗費(fèi)數(shù)百兆瓦（MW）的電力，相當(dāng)于一個(gè)中型電站的所有輸出。“沒有技術(shù)可以為超過5TeV的輕子對(duì)撞機(jī)服務(wù)。”法國(guó)原子能委員會(huì)實(shí)驗(yàn)室的Roy Aleksan如是說。其難題在于，目前用于加速離子的無線電波無法提供足夠大的動(dòng)力，因此需要大量連續(xù)的微波腔以達(dá)到高能量。而這些微波腔并不能很有效地將插接電轉(zhuǎn)化為電子束功率。

　　30多年前，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的John Dawson和Toshiki Tajima提出了一個(gè)截然不同的策略：在激光激起的等離子體中對(duì)粒子進(jìn)行加速。等離子體本質(zhì)上是一種帶電粒子（離子和電子）的氣體。如果一個(gè)高能激光脈沖發(fā)射到等離子體中，激光的電場(chǎng)會(huì)排除那些很輕的電子，而更重的離子則很少移動(dòng)，其尾流中就會(huì)有缺乏電子的正電荷泡沫，隨后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)電荷（在電子重新涌入時(shí)形成）區(qū)域。結(jié)果就會(huì)形成一個(gè)和脈沖前進(jìn)方向平行的強(qiáng)大電場(chǎng)。這種“尾流電場(chǎng)”可以大幅加速電子——來自等離子體的電子或是專門注入其中加以利用的電子。

　　當(dāng)Dawson和Tajima提出這種尾流電場(chǎng)加速技術(shù)時(shí)，激光脈沖還無法足夠短促有力。不過，20世紀(jì)80年代中期羅徹斯特大學(xué)的Gérard Mourou和Donna Strickland發(fā)明了啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)。通過該技術(shù)，研究人員可以得到10~100GV/m（GV/m為十億伏每米）強(qiáng)度的尾流電場(chǎng)，比傳統(tǒng)的射流加速（10~50MV/m）的能量強(qiáng)度要高3個(gè)數(shù)量級(jí)。不過粒子物理學(xué)家并沒有嚴(yán)肅對(duì)待這種技術(shù)，因?yàn)樗a(chǎn)出的是質(zhì)量差和低亮度的粒子束。

　　然而，2006年，加利福尼亞的伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在僅僅3.3厘米長(zhǎng)的等離子管道中創(chuàng)造出了一個(gè)高質(zhì)量的1-GeV（十億電子伏特）電子束時(shí)，懷疑者們開始對(duì)其刮目相看。2009年，國(guó)際未來加速器委員會(huì)和國(guó)際超高強(qiáng)度激光委員會(huì)設(shè)立了一個(gè)聯(lián)合工作組，旨在調(diào)查這些新型激光技術(shù)如何幫助加速器的發(fā)展。在2011年發(fā)表的報(bào)告中，工作組草擬了一項(xiàng)計(jì)劃——使用成百上千個(gè)激光等離子體模塊構(gòu)成的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)來加速粒子。該機(jī)器將比現(xiàn)在的加速器小很多——不過幾千米長(zhǎng)——而且很可能成本要小得多，而它將能夠達(dá)到1到10TeV的能量。

光纖激光器登場(chǎng)

　　不過必要的激光器仍然不存在。盡管CPA使研究人員創(chuàng)造了具有足夠高峰值功率的激光脈沖，但這種激光器通常會(huì)一秒一次地進(jìn)行發(fā)射，對(duì)于產(chǎn)生強(qiáng)烈的粒子束來說過于緩慢。對(duì)應(yīng)TeV數(shù)量級(jí)加速器的激光器需要每秒產(chǎn)生數(shù)以千計(jì)甚至數(shù)以百萬計(jì)的脈沖，以避免巨大的能量消耗，同時(shí)還需要高的功率轉(zhuǎn)換效率。“這就需要使其整體得到提高：高峰值功率、平均功率和效率。”Aleksan稱。

　　該報(bào)告提出了一個(gè)長(zhǎng)期的研發(fā)項(xiàng)目來開發(fā)必要的激光器。不過，目前在巴黎高等理工學(xué)院工作的Mourou有一個(gè)更好的想法：使用一個(gè)在電信行業(yè)中很普遍且便宜的工具，即光纖激光器——僅僅是摻雜了鐿的光纖。在加入其他來源的光后，光纖激光器可以在高效率下以高重復(fù)率產(chǎn)生粒子束。而它們所缺少的是產(chǎn)生超短、大功率脈沖的能力。

　　因此，Mourou提出，聯(lián)合成千上萬個(gè)光纖激光器的產(chǎn)出以創(chuàng)造一個(gè)可以驅(qū)動(dòng)TeV加速器的光束。該系統(tǒng)會(huì)通過從種子激光器中獲得短脈沖、將脈沖拉伸并在大量光纖激光器中放大來進(jìn)行運(yùn)作。之后這些脈沖就會(huì)重新組合成一個(gè)單獨(dú)的光束，并被壓縮產(chǎn)生短的、大功率的脈沖，再將成千上萬個(gè)光纖激光器產(chǎn)生的脈沖組合成為一個(gè)單獨(dú)的光束。所有的光束都必須很精確地處于各自的相位，否則一些光束會(huì)破壞性地干擾其他光束，從而減弱最終形成的光束的能量。“人們覺得這很瘋狂。”Mourou稱。

　　Mourou促成了國(guó)際相干放大網(wǎng)絡(luò)（ICAN）與CERN、英國(guó)南安普頓大學(xué)、德國(guó)弗勞恩霍夫研究所的同行的合作。在一年半的研究后，他們表示這種相干組合可以實(shí)現(xiàn)。在其于今年早些時(shí)候完成的最終驗(yàn)證中，他們將64個(gè)光纖激光器組成8×8的方陣，使其光束平行出現(xiàn)。在允許光束可以輕微重疊的前提下，研究人員能夠觀測(cè)到每個(gè)光束和離其最近的4個(gè)相鄰光束的干涉模式。攝像機(jī)記錄了這些模式，在檢測(cè)了相位中的任何差異后，一個(gè)反饋回路會(huì)回到有問題的光纖激光器中，并立即調(diào)整相位恢復(fù)正常。

　　檢測(cè)并調(diào)整一個(gè)粒子加速器所需要的約3萬個(gè)光纖激光器是十分艱巨的任務(wù)——Mourou認(rèn)為其艱巨程度相當(dāng)于設(shè)計(jì)歐洲極大望遠(yuǎn)鏡所遇到的挑戰(zhàn)。不過ICAN的驗(yàn)證證明了這一原理的可行性。

　　ICAN項(xiàng)目吸引了其他看到高峰值功率和快速脈沖激光器希望的組織的注意。相同的技術(shù)可以為被稱作自由電子激光器的一種X射線光源提供低成本的電子束來源；還可以提供癌癥治療的質(zhì)子束以及醫(yī)療同位素。“ICAN項(xiàng)目預(yù)示著在基于激光和等離子體的粒子加速領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。”俄羅斯羅蒙諾索夫莫斯科國(guó)立大學(xué)Skobeltsyn核物理研究所的Alexander Pukhov如是說。

　　在該項(xiàng)目的技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域之前，Mourou和其團(tuán)隊(duì)需要證明他們可以建造一個(gè)具有所需功能的全面的激光器。如果下一個(gè)歐盟研究預(yù)算可以提供他們所需的300億歐元資金，他們也許可以說明其原理論證是否預(yù)示著粒子物理學(xué)的光明未來，還是僅為曇花一現(xiàn)。“他們需要開發(fā)出一個(gè)加速器。”Aleksan說，“然后人們就可以說‘這正是我們可以使用的東西’。”