分析极端光束:科学家为粒子加速器设计新的诊断方法

▲电子束经过氢和氙气体的混合物，使其电离，将混合物转化成质子、氙离子和电子的等离子体。冷等离子体电子以绿点的形式出现，电离的氙离子以红点的形式出现在图像中。

世界上最先进的粒子加速器正在不断挑战高亮度光束和超短脉冲的极限，以新的方式探索物质。为了优化它们的性能，并为下一代设施做进一步的准备，科学家们设计出了一种新的工具，可以测量这些光束的亮度，甚至可以测量出只有飞秒（千分之一秒）的脉冲。这个工具还可以在不干扰实验的情况下测量纳米尺度内光束的大小。

这个被称为“电荷密度监测器”的新工具，也可以提供更精确地测量高能和高场光束实验的基础物理数据，并帮助指导研发工作，以缩小粒子对撞机和加速器设施的规模和成本，同时提高它们的能力。利用这一诊断方法进行的研究也可能会影响从等离子科学到原子物理学等学科，并可能产生新的应用和揭示新的物理学。

在美国伯克利实验室激光加速器中心（BELLA），研究人员希望通过这个工具来测量一束强激光束穿透气体射流后的粒子特性。BELLA中心主任Wim Leemans作为该研究负责人，将相关成果发表在了5月10日的《物理评论X》杂志上。

该研究详细描述了粒子束通过低密度中性气体的强度，通过与强粒子束相关联的强电场，将电子从气体原子中剥离出来。在这个过程中会形成一种被称为等离子体的电离（带电）云。

这个过程类似于当一个非常强烈的、聚焦的激光束或x射线脉冲与气体相互作用并电离原子的过程。但是，光束（光子）和其他类型的粒子束的电离过程，在物理上有重要的区别。

对于光束，电子和离子（带电粒子）会在整个光束的轨迹中产生，而等离子体相关的电子的速度相对较低，并且倾向于在离子柱周围悬浮，直到它们被外部电场抽离。带正电荷的离子则向相反的方向漂移。

对于带电粒子束，电场的形状就像一个圆环，产生一个环形的等离子体柱，最初在粒子束路径中没有离子，就像甜甜圈的孔。这些粒子束可以为电子提供强大的推力，而电子可以留下一个环形的离子柱。这些离子可以被一个电场引导到一个测量离子数量、速度和电荷状态的探测器上。

最新的研究表明，新的测量工具还可以在正确的操作条件下，从这个“离子圈”中收集更多关于粒子束本身的信息，例如，正确的密度和混合气体类型。一旦在加速器系统中实现了完整的诊断系统，模拟将有助于实验中的实际测量，并帮助开发出优化光束性能的方法。

这一技术也为研究电荷诱导的物质动力学提供了可能性，并可能提供更深入的研究原子或分子过程的时间尺度。其中包括一种被称为量子隧穿的特性，在这种特性中，粒子可以通过潜在的原子屏障，自发地“穿过”原子，而无视经典物理学。

这项工作得到了美国能源部高能物理办公室、欧盟第七框架计划和瑞士国家科学基金会的支持。

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  编译：Coke   编辑：张梦   

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