激光等離子體加速器重大突破：顛覆癌症治療、半導體與高能物理

關鍵要點

• 激光等離子體加速器（LPA） 可能顯著減少高能物理、醫學與材料科學應用中粒子加速器的規模與成本。

• BELLA 研究中心 的科學家利用 拍瓦級（petawatt）激光，成功在 30 公分範圍內加速高品質 10-GeV 電子束，這不僅提高了能量，也改善了光束品質與能效。

• 新的實驗設置與精確控制使研究人員能夠首次實現「無暗電流（dark current free）」的加速結構，確保激光能量不會被背景電子消耗。

激光等離子體加速技術的突破：10-GeV 電子束實驗

科學家利用 雙激光系統 和 超音速氣體板，成功在不到 30 公分的距離內將電子加速至 10 GeV（十億電子伏特），標誌著激光等離子體加速技術的重大進展。這項突破來自 美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab） 領導的研究團隊，並與 馬里蘭大學（University of Maryland） 合作。研究結果即將發表於 《Physical Review Letters》，預印本已發佈於 arXiv。

此實驗在 伯克利實驗室激光加速中心（BELLA） 進行，該中心在 2019 年創下 8-GeV 電子束 記錄。此次突破不僅提高了加速能量，還首次實現了高品質電子束，為未來高效能加速器奠定基礎。

“我們不僅從 8 GeV 躍升至 10 GeV，更透過技術創新顯著提升了光束品質與能量效率。” — Alex Picksley, 研究論文第一作者，Berkeley Lab ATAP 部門研究員

激光等離子體加速技術的未來應用

1. 醫療領域：革命性的癌症治療與醫療影像技術

🔹 癌症放射治療的突破：

• 傳統質子與光子治療儀器昂貴且體積龐大，而 LPA 技術可提供更小、更高效的粒子束，可能發展成新一代 便攜式癌症治療設備，降低治療成本並提高醫療可及性。

• 透過高能電子束精確打擊癌細胞，減少對周圍健康組織的損害，提升放射治療效果。

🔹 自由電子雷射（FEL）與醫療成像：

• LPA 可應用於 X 射線顯微鏡與高解析度醫學影像技術，例如 早期癌症診斷與神經疾病的高精度掃描。

2. 產業應用：高科技材料與半導體產業

🔹 奈米材料與半導體製造：

• 高能電子束可用於 奈米級精密加工，進一步推動 半導體技術與新材料的開發，影響 晶片製造與材料科學研究。

🔹 高能粒子探測技術：

• LPA 產生的 高頻 X 射線光源 可應用於無損檢測，提升 航太、汽車、電子產品製造的品質控制。

3. 穆子成像（Muon Imaging）：探索未知世界的利器

🔹 考古學與文化遺產研究：

• 透過穆子射線技術，研究人員可無損檢測 古埃及金字塔內部結構，或探索 歷史遺跡的隱藏空間。

🔹 地質與環境探測：

• 穆子成像技術可用於監測 火山活動、礦產資源探測、甚至核反應爐內部狀態，對於地球科學與能源產業極具價值。

4. 粒子物理與未來等離子體對撞機

🔹 小型高能粒子源：

• LPA 可讓小型實驗室獲得 高能電子束源，使得更多科學家能夠進行粒子物理實驗，而無需大型對撞機的巨額投資。

🔹 未來高能對撞機發展：

• 研究團隊正在開發 多級 LPA（staged LPAs），目標是讓電子能量從 10 GeV 提升至 100 GeV，甚至 10 TeV（兆電子伏特），進一步探索 基本粒子與宇宙起源。

“這項成果為建構未來高能粒子對撞機奠定了重要基礎。” — Eric Esarey, BELLA 研究中心主任

常見問題（FAQ）

1. 這項技術與傳統粒子加速器有何不同？

LPA 透過等離子波場驅動電子，能以更短的距離達成與傳統射頻加速器相同的能量，從而減小設備體積並降低成本。

2. 這次 10-GeV 實驗的突破點是什麼？

首次實現 高品質、無暗電流（dark current free） 的電子束，顯著提升能量效率與加速穩定性。

3. 未來 LPA 研究的發展方向？

科學家正致力於 多級激光等離子體加速（staged LPAs），以推進更高能量對撞機的發展。

研究支持與合作機構

• 美國能源部（DOE）

• 勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）

• 馬里蘭大學（University of Maryland）

• 國家能源研究科學計算中心（NERSC）

部分參考至美國能源部、編輯自美國NSO團隊。