高能物理研究所鲁巍团队提出尾波正电子加速新方案，利用空泡机制非线性束流负载实现高品质加速

研究背景：电子加速的成功与正电子的关键瓶颈

等离子体尾波加速器（PWFA）是下一代高能加速器的颠覆性候选技术，能提供远超传统射频技术的加速梯度，从而大幅缩小未来光源和高能对撞机的规模。对于电子加速，PWFA已取得重大突破，特别是通过空泡机制成功实现了高效率和高品质的电子加速¹。

然而，要构建正负电子对撞机，正电子加速也不可或缺。由于空泡内部的等离子体离子会对正电子产生强烈的径向斥力，这一机制长期以来被认为不适合用于正电子加速，成为了PWFA发展中的一个关键瓶颈。

研究突破：自洽电子丝束和均匀加速理论

本研究提出了一种创新且简明的解决方案，首次在空泡机制中实现了高品质正电子加速²。这一突破的关键在于：通过将高密度正电子束团精确负载在空泡结构尾部，激发正电子束团与等离子体尾波的自洽非线性相互作用。正电子束流的电荷力能够将等离子体鞘层电子有效约束，形成一个延展、高密度的 “电子丝束”（on-axis electron filament）。

电子丝束在高品质正电子加速中起到双重作用。一方面，其负电荷有效抵消了空泡内部的离子斥力，为正电子束团提供了必需的横向聚焦力，确保了其长期稳定传输。除此之外，电子丝束与空泡边界的独特耦合效应，显著改变了空泡内的纵向加速场。本研究首次建立了非线性正电子束流负载理论模型。该模型证明，丝束效应诱导的场项可以抵消空泡边界变化引起的场衰减，实现加速场均匀化。

高可信度的三维粒子模拟验证了该理论的有效性，证实了空泡机制中可以实现长距离、高梯度、高品质的正电子加速。关键性能指标包括：能量转移效率超过20%，发射度，能散。

未来展望：对撞机蓝图的关键一步

本工作通过在空泡机制中实现高品质正电子加速，填补了PWFA领域的长期空白。本研究提出的非线性束流负载和电子丝束具有高度普适性，可推广至高变压比正电子加速、激光驱动正电子加速以及在同一尾场中实现电子和正电子束流的同时加速等多种场景。

值得一提的是，2025年发表于《自然·物理学》（Nature Physics）的一篇重要综述性文章，在描述基于PWFA的未来对撞机中正电子加速解决方案时，重点采用了本工作的结果³。这些进展为等离子体加速应用于未来紧凑型对撞机奠定了坚实基础。

1.Lu, W., Huang, C., Zhou, M., Mori, W. B. & Katsouleas, T. Nonlinear theory for relativistic plasma wakefields in the blowout regime. Phys. Rev. Lett. 96, 165002 (2006).

2.Zhou, S., Ding, S., An, W., Su, Q., Hua, J., Li, F., Mori, W. B., Joshi, C. & Lu, W. Positron Beam Loading and Acceleration in the Blowout Regime of a Plasma Wakefield Accelerator. Research 2025; 8:Article 0878.

3.Joshi, C., Mori, W. B. & Hogan, M. J. The positron arm of a plasma-based linear collider. Nat. Phys. 21, 885–894 (2025).

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0878