物理学家如何建造世界上最小的粒子加速器

如果您想到粒子加速器，脑海中浮现的可能是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）：一个耗资数十亿美元的庞然大物，宽数十英里，以揭示宇宙运作方式的名义跨越国界。

但粒子加速器有多种形式。目前世界上有 30,000 多台加速器。虽然其中一些（包括 LHC）旨在揭开宇宙的秘密，但绝大多数加速器都有着更为现实的用途。它们的用途非常广泛，从产生明亮的光束到制造电子产品，再到对身体进行成像和治疗癌症。事实上，一家医院只需花费数十万美元就可以购买一个房间大小的医疗加速器。而且，截至上个月，科学家们又在这份名单上增加了一个奇怪的东西：迄今为止最小的粒子加速器。

物理学家们制造出了一个硬币大小的加速器，并于 10 月 18 日在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。这个设备只是一个技术演示，但它的创造者希望它能为制造出能装在硅芯片上的更小的加速器打开大门。

马里兰大学物理学家 Howard Milchberg 表示：“我认为这篇论文确实是非常有趣和酷的物理学，这是我们长期努力的结果。”他并未参与这项研究。

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这个微型加速器不仅仅是一台小型 LHC。根据其运行时间表，LHC 会在一个大圆圈周围发射质子或铅原子核。而这个微型加速器则会沿直线发射电子。

曾有许多其他线性电子加速器，其中最著名的是现已拆除的两英里长的斯坦福线性对撞机。传统上，电子加速器通过将射弹射入金属腔体（通常由铜制成，内有抽动的电磁场）来加速射弹。因此，这些腔体推动粒子前进，就像电波上的冲浪者一样。

但一些物理学家认为这些老式加速器并不理想。金属腔容易出错。它们也笨重且需要大型设备。研究人员的新型加速器则使用精确的激光发射来推动电子。

自 20 世纪 60 年代以来，物理学家们一直在尝试制造激光加速器。它们被称为光子加速器，指的是对光的研究，它们比基于腔体的加速器更小、更经济。但直到过去十年，激光才变得足够精确和便宜，甚至实验性的光子加速器也变得实用。

然而，将它们缩小也带来了一系列艰巨的障碍。最大的障碍是工​​程师们没有制造微型加速器微型部件所需的先进技术。

以研究人员试图建造的硬币大小的加速器为例。首先，它使用从电子显微镜上改装的部件产生电子。然后，该设备将电子推入柱廊：两排数百个硅柱，每个只有 2 微米高，行与行之间的间隙更小。激光照射柱子的顶部，产生电场，从而增强挤在里面的电子——至少在纸面上是如此。

“制造如此小巧、足够精确的特征非常困难，”德国埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学的物理学家、论文作者之一托马斯·赫卢巴 (Tomáš Chlouba) 表示。“你需要真正顶级的设备……这些设备并不便宜，也不是 90 年代可以买到的设备。”

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但芯片制造技术一直在进步。现在，Chlouba 和他的同事可以依靠半导体制造领域已经很常见的技术。他们制作了一个成功的原型。该设备每秒只能传输大约 1 个电子，按照粒子加速器的标准，这只是涓涓细流。（家中普通设备中的普通电线携带的电子数是这个数字的千万亿倍。）此外，这些电子的能量与老式阴极射线管电视机中的电子能量大致相同：同样，按照粒子加速器的标准，这只是微不足道的。

因此，“我不知道它有多实用，”米尔希伯格说。他说，在柱廊里安装更多的电子就像用猎枪射击靶心一样。

事实上，Chlouba 明确表示，他和他的同事距离将这种加速器用于任何类似于现实世界的应用还很遥远。如果他们想做到这一点，他们需要制造更多电子，能量要高得多。Milchberg 表示，目前还不清楚成批的电子是否可以在柱廊中聚集在一起，而不会被负电荷推开。

但如果研究人员成功克服这些障碍，Chlouba 可以想象到粒子加速器可以安装在标准硅片上，并有多种应用。医务人员已经使用电子加速器治疗皮肤癌。考虑到这一点，一些医生可能会想象到一种足够小的加速器，可以通过内窥镜插入体内。“这种加速器更小、更便宜，而且适合任何地方，”Chlouba 说。