世界上最大的粒子加速器——大型强子对撞机（LHC）——位于瑞士法国边境附近日内瓦地下约一百米深的圆形隧道中。它非常庞大——周长约17公里——能够将亚原子粒子加速到10^12电子伏特（Tera eV或TeV）的能量，这是有史以来达到的最高能量。
LHC建于20世纪90年代，于21世纪初启用，现已老旧，物理学家们现在希望以更高的能量将粒子碰撞在一起，以观察是否有新的物质从碎片中出现。问题是，这些更高的能量通常需要更长的隧道来容纳更大、更耗能的加速器，而这些加速器都难以建造且成本高昂。
因此，物理学家们正在寻找更便宜、更小的机器，它们可以在极小的空间内以一小部分成本实现更高的能量。
现在，英国利物浦大学的Lei Bifeng和他的同事们表示，他们已经从原理上解决了如何在桌面大小的设备中实现10^15电子伏特（Peta eV或PeV）能量的问题。他们的机器有望为新一代紧凑型加速器铺平道路，这些加速器将有助于研究物质在超高电场下的行为，这与粒子物理学和天体物理学都相关。
他们说：“这项工作为开发超紧凑、高能粒子加速器提供了一个有前景的途径。”
像LHC这样的粒子加速器通过反复将带电粒子推进到电磁场中工作，每次通过都逐渐增加它们的能量。带电粒子的加速发生在充满强大射频电磁波的腔体内。实际上，粒子通过“搭乘”这些波来加速。
然而，强大的射频电波难以产生，需要昂贵的超导腔冷却到液氦的温度。
加速粒子的另一种方法是在等离子体内部进行。这里的诀窍是使用激光或电子束在等离子体中开辟一条路径，然后让带电粒子在产生的尾波上“搭乘”。
所谓的尾波场加速器更紧凑且能效更高。但它们的加速能力受到等离子体密度的限制，等离子体通常是一种气态物质，每立方厘米的粒子数少于10^18个。这远远低于金属中自由电子的密度，后者可高达每立方厘米10^24个。
因此，可以很容易地想象金属一定是极好的粒子加速器。然而，物理学家们还没有足够强大的X射线激光来穿透金属中如此高密度的等离子体，因此它们尚未得到利用。
Lei及其同事取得的突破在于，他们已经找到了在一种完全不同的材料——碳纳米管阵列——中利用类似的等离子体密度的方法。
理论上，碳纳米管的壁内包含着一种简并电子海，其密度与金属相似。但它们也有一个中空的、充满真空的中心，如果受到足够大的推力，电子可以移入其中。
因此，他们研究的材料是由内有孔洞的碳纳米管阵列组成的，就像一包意大利面，中心移除了一些面条以创建贯穿的通道。
然后，该团队模拟了一个电子脉冲穿过该通道的效果，将周围的碳纳米管用作波导。该电子束与碳纳米管壁内的电子相互作用，在通过时将它们向外推，然后恢复到原来的位置。
这会在碳纳米管内部产生一个强大的电场，随着电子束的移动而跟随。正是这个电场可以加速其他带电粒子。这种尾波加速机制已经在等离子体加速器中得到探索，在纳米管的受限几何结构中，它呈现出一种新的、高效的形式。
在模拟中，研究人员表明，这种设置可以在每米数百TeV的范围内产生加速梯度——比LHC等传统的射频加速器高出几个数量级。“原则上，电子可以在几米的距离内被加速到PeV能量，”Lei及其同事说。
该团队绘制了如何在CERN和其他粒子物理实验室的现有设施中实际测试该想法。
然而，也存在一些潜在的限制。一个问题是，如果纳米管内的场太强，电子可能会被完全“吹出”，而不会返回到原来的位置，也不会产生加速场。因此，需要仔细校准以防止这种“吹出”效应。
另一个问题是，研究人员必须首先产生一个高度紧凑且密集的电子脉冲才能穿过碳纳米管通道。借助世界领先的粒子物理实验室最先进的设备，这种密度的脉冲可能很快就能实现。
如果这些实验成功，碳纳米管加速器可能会彻底改变多个领域。强大的紧凑型加速器将无需数公里长的基础设施即可进行新的粒子物理实验。
小型化加速器可以为癌症治疗的放射治疗提供帮助，提供前所未有的高能电子或离子束精度。同一种设备还可以用于先进材料加工、无损检测、安检扫描，甚至作为航天器的新型推进技术。
这些机器内部极其强大的电场还可以让物理学家重现某些天体物理现象内部的条件。
Lei及其同事对他们的潜力表示乐观。“碳纳米管基固态等离子体加速器在开发超紧凑粒子加速器方面具有变革性的潜力，为各种先进应用开辟了新途径。”
参考文献：基于碳纳米管的每米数百TeV粒子加速器，由高密度电子束驱动：arxiv.org/abs/2502.08498v1
