该图描绘了LLE研究人员概述的方法，该方法利用强激光整形以使电子在非常短的距离内加速到更高能量。一个超短脉冲（黄色）向右传播并从一个放射状梯形（最右边的元素）反射，控制每个环在从无轴突（axiparabolla）（最左边的元素）反射之后聚焦的时间。图片：H. Palmer and K. Palmisano

通过观察已被加速到极高能量的电子，科学家们能够解开有关组成我们宇宙的粒子的线索。

但是，在实验室环境中将电子加速到如此高的能量是一项挑战：通常，电子能量越高，粒子加速器越大。例如，为了发现希格斯玻色子（最近观察到的负责宇宙质量的“上帝粒子”），瑞士欧洲核子研究组织实验室的科学家使用了27公里长的粒子加速器。

但是，如果有一种方法可以缩小粒子加速器的尺寸，在短距离内产生高能电子呢？

在《物理评论快报》上发表的一篇论文中，罗切斯特大学激光能量学实验室（LLE）的科学家概述了一种形成强激光的方法，该方法可以使电子在很短的距离内加速到创纪录能量：研究人员估计，加速器仅为类似能量装置装置的万分之一，从而将加速器从罗德岛（Rhode Island）的长度减少到餐桌的长度。有了这样的技术，科学家们可以进行桌面实验来探测希格斯玻色子，或者探索额外的维度和新的粒子，最终也许能实现爱因斯坦梦想的大统一理论。

LLE的科学家，论文的主要作者约翰·帕拉斯特罗（John Palastro）说：“研究基本粒子物理学需要更高能的电子。电子加速器为宇宙基本组成部分所居住的亚原子世界提供了窥镜。”

尽管目前这项研究只是理论上的研究，但LLE正在努力通过计划在LLE上建造世界上功率最高的激光器来使其成为现实。这款名为EP-OPAL的激光器将使研究人员能够创建出本文所述的极其强大的雕刻光脉冲和技术。

研究人员概述的电子加速器依靠一种革命性的技术来雕刻激光脉冲的形状，以使它们的峰值传播的速度快于光速。

LLE的资深科学家，论文的作者之一达斯汀·弗洛拉（Dustin Froula）说：“这项技术可以使电子加速到超过现有技术所能达到的水平。”

为了雕刻激光脉冲，研究人员开发了一种新颖的光学装置，类似于圆形剧场，具有波长大小的“台阶”，用于在从高功率激光器发出的同心圆光之间产生时间延迟。

典型的透镜将来自激光的每个光圈聚焦到距透镜的单个距离，从而形成一个高强度光的单点。但是，研究人员没有使用典型的透镜，而是使用了形状奇特的透镜，这使他们可以将每个光环聚焦到距透镜不同的距离，从而形成一条高强度的线，而不是一个光点。

当经过雕刻的光脉冲进入等离子体（自由移动的电子和离子的热汤）时，它会产生唤醒，类似于摩托艇启动时的状况。这种唤醒以光速传播。就像滑水者在船尾滑行一样，电子随后在经过雕刻的激光脉冲时加速。

这些“激光尾波加速器”（LWFA）于40年前首次被理论化，并通过线性调频脉冲放大（CPA）激光器的发明得到了发展。线性调频脉冲放大是LLE的2018年诺贝尔奖获得者唐娜·史翠克兰（Donna Strickland）和杰拉德·穆鲁（Gerard Mourou）共同开发的技术。

但是，以前版本的激光尾波加速器使用的是传统的，非结构化的光脉冲，其传播速度比光速慢，这意味着电子将超越尾流，从而限制了其加速度。新的雕刻光脉冲使能快于光的速度，从而电子可以无限期地唤醒和被连续加速。

电子持续获得能量

LLE的主管迈克尔·坎贝尔说：“这项工作极富创新性，将改变激光加速器的游戏规则。这项研究表明，与杰出的激光科学家和工程师紧密合作，理论和实验等离子体物理学的价值-代表了LLE文化的精华。”