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

　　在不斷發(fā)展的高能物理隧道的盡頭，光還會是光嗎？該領(lǐng)域?qū)Ω鼜姶蠹铀倨鞯淖非笳谂c社會為其支付費用的意愿相沖突。

　　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）中的大型強子對撞機（LHC）擁有27公里長的圓形隧道，探測器和教堂差不多大，其費用有將近100億美元。接下來，物理學(xué)家想要建造一個31公里長的國際直線對撞機，費用高達250億美元，并且他們還在探討建造更大的機器和更長的隧道。遲早，這些野心將會陷入困境——除非一些花費徹底便宜下來的新加速器技術(shù)得以實現(xiàn)。然而，一個歐洲物理學(xué)家團隊在簡單的光纖激光器中看到了希望。

　ICAN 的激光器會使用成千上萬個光纖激光器。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)生足夠強烈脈沖的激光并不存在。

　　現(xiàn)在，一些歐洲物理實驗室的聯(lián)盟稱，它們可以在不建造一個新的高能激光機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)合成為一個超級粒子束。在歐盟為其長達18個月的試點項目投資50萬歐元后，這些實驗室使用64個光纖激光器順利合并光束。如果歐盟下一個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光纖擴展建成一個全尺寸的激光器。

　　循序漸進的嘗試

　　物理學(xué)家不僅到達了國家預(yù)算的極限，同時也到了技術(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)到達這一步，將耗費數(shù)百兆瓦（MW）的電力，相當于一個中型電站的所有輸出。“沒有技術(shù)可以為超過5TeV的輕子對撞機服務(wù)。”法國原子能委員會實驗室的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力，因此需要大量連續(xù)的微波腔以達到高能量。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，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的John Dawson和Toshiki Tajima提出了一個截然不同的策略：在激光激起的等離子體中對粒子進行加速。等離子體本質(zhì)上是一種帶電粒子（離子和電子）的氣體。如果一個高能激光脈沖發(fā)射到等離子體中，激光的電場會排除那些很輕的電子，而更重的離子則很少移動，其尾流中就會有缺乏電子的正電荷泡沫，隨后會出現(xiàn)一個負電荷（在電子重新涌入時形成）區(qū)域。結(jié)果就會形成一個和脈沖前進方向平行的強大電場。這種“尾流電場”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Dawson和Tajima提出這種尾流電場加速技術(shù)時，激光脈沖還無法足夠短促有力。不過，20世紀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）強度的尾流電場，比傳統(tǒng)的射流加速（10~50MV/m）的能量強度要高3個數(shù)量級。不過粒子物理學(xué)家并沒有嚴肅對待這種技術(shù)，因為它生產(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家實驗室在僅僅3.3厘米長的等離子管道中創(chuàng)造出了一個高質(zhì)量的1-GeV（十億電子伏特）電子束時，懷疑者們開始對其刮目相看。2009年，國際未來加速器委員會和國際超高強度激光委員會設(shè)立了一個聯(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)表的報告中，工作組草擬了一項計劃——使用成百上千個激光等離子體模塊構(gòu)成的正負電子對撞機來加速粒子。該機器將比現(xiàn)在的加速器小很多——不過幾千米長——而且很可能成本要小得多，而它將能夠達到1到10TeV的能量。

光纖激光器登場

　　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一秒一次地進行發(fā)射，對于產(chǎn)生強烈的粒子束來說過于緩慢。對應(yīng)TeV數(shù)量級加速器的激光器需要每秒產(chǎn)生數(shù)以千計甚至數(shù)以百萬計的脈沖，以避免巨大的能量消耗，同時還需要高的功率轉(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。

　　該報告提出了一個長期的研發(fā)項目來開發(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有一個更好的想法：使用一個在電信行業(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)合成千上萬個光纖激光器的產(chǎn)出以創(chuàng)造一個可以驅(qū)動TeV加速器的光束。該系統(tǒng)會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行運作。之后這些脈沖就會重新組合成一個單獨的光束，并被壓縮產(chǎn)生短的、大功率的脈沖，再將成千上萬個光纖激光器產(chǎn)生的脈沖組合成為一個單獨的光束。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促成了國際相干放大網(wǎng)絡(luò)（ICAN）與CERN、英國南安普頓大學(xué)、德國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現(xiàn)。在其于今年早些時候完成的最終驗證中，他們將64個光纖激光器組成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，研究人員能夠觀測到每個光束和離其最近的4個相鄰光束的干涉模式。攝像機記錄了這些模式，在檢測了相位中的任何差異后，一個反饋回路會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。

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

　　ICAN項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)域的一場革命。”俄羅斯羅蒙諾索夫莫斯科國立大學(xué)Skobeltsyn核物理研究所的Alexander Pukhov如是說。

　　在該項目的技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域之前，Mourou和其團隊需要證明他們可以建造一個具有所需功能的全面的激光器。如果下一個歐盟研究預(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’。”