涡旋粒子加速器：粒子物理与核物理研究的新工具
作者| 邹丽平 张鹏鸣 陈旭荣
你可能曾经听说过光子、电子、夸克等粒子的自旋量子态。科学家通过最近约三十年的研究发现，粒子还存在一种新奇的状态——涡旋量子态。这使得粒子具有内禀轨道角动量，意味着它们拥有一个新的自由度，能为科学家们在粒子物理和核物理的研究中提供新的探索手段，并开拓新的研究方向。
涡旋粒子是在特定的相位调制或散射过程中产生的，它们的波函数可以获得特殊的拓扑相位。这使得这些粒子拥有螺旋相位波前，拥有确定的轨道角动量。
通过下图，我们可以直观地对比平面波粒子束和涡旋波粒子束之间的差异，从而了解涡旋波粒子束的独特特征。
图：左侧是平面波粒子束，它们没有内禀轨道角动量，波函数呈现出平面状的波前形态。右侧是涡旋波粒子束，它们拥有内禀轨道角动量为1，波函数呈现出螺旋状的形态。这使得涡旋波粒子束在三维空间中具有独特的波阵面（绿色曲面），以及相应的几率密度流（橙色箭头）。在下方的二维图中，可以看到两种粒子束在横向密度分布上的差异。颜色表示相位，从绿色到红色，表示相位从0到360度。来源| Physics Report, 690 (2017) 1.
涡旋粒子的研究可以追溯到涡旋光。1992年，Allen提出了涡旋光的概念，至今人们已经能够通过多种方法（如光学调制、螺旋相位板、全息掩膜、光子筛选、超表面材料、特殊激光生成和微波腔等）产生涡旋光。
涡旋光近年来成为国内外结构光学领域的热点。目前，实验上已经实现角动量量子数高达10000的涡旋光束，并且在同步辐射加速器设备上也实现了X射线甚至更高能量的涡旋光束。
自2010年以来，其他种类的涡旋粒子束研究也逐渐崭露头角。迄今为止，电子、中子和中性原子的涡旋态束流也已通过实验成功实现。并且，科学家们对涡旋粒子动力学以及涡旋粒子和其他粒子散射的性质开展了大量研究。涡旋束的产生为粒子结构及性质研究开辟了新的领域，在材料物理、原子物理、核物理和粒子物理等研究领域具有广泛应用前景。
然而，由于对束流相干性的要求，目前只有少数装置能够实现低能涡旋束的产生，而高能涡旋粒子的产生在实验上还尚未实现。
如果要将各种粒子的涡旋态应用于核物理和粒子物理研究，它们的能量需要达到MeV或GeV范围。因此，物理学家们迫切希望获得更高能量的涡旋粒子束。
利用涡旋粒子束，可以研究许多物理过程。比如，可以研究涡旋电子产生的轫致辐射，涡旋光子或电子与原子碰撞过程，以及相对论涡旋电子与核子或原子核的深度非弹性散射过程等。开展这些研究，一方面可以研究这些过程的新物理，同时也是检测涡旋粒子性质的重要途经。
图: 粒子波长和频率。研究原子核需要兆电子伏特(MeV)能量的涡旋光子。来源| Y. Taira, Gamma-ray vortex beams carrying orbital angular momentum， 2017.
当前，高效产生更高能量的涡旋粒子束流成为一个急需解决的问题。传统的涡旋束产生方法主要有螺旋相位板和全息衍射光栅方法。但这些方法存在一些局限，如对粒子束相干性的要求，以及产生涡旋态束流的效率不高等。这使得这些方法尚不能产生其他类型的涡旋粒子，如涡旋质子和重离子。
最近几年里，已经有科学家开始着手研究如何产生更高能量的涡旋粒子束。
一些研究人员针对产生较重的涡旋重离子束提出了很好的方案。近期，俄罗斯圣光机大学(ITMO)大学Karlovets教授与德国电子同步加速器中心（DESY）的Floettmann教授提出改进磁浸没阴极和磁浸没剥离膜来产生涡旋带电粒子的方法。ITMO大学的研究团队正在与俄罗斯杜布纳联合核子研究所（JINR）研究人员开展合作，在杜布纳的LINAC-200加速器上开发能量为200 MeV的涡旋电子源。这一方法有望在现代加速器中实现，并产生高能涡旋带电粒子束。
自2014年起，美国杰斐逊实验室 (JLab)开始研究利用逆康普顿散射产生能量较高的涡旋X射线，目前他们也在进行新型涡旋电子源的研究工作。此外，日本关西光子科学研究所拥有一台150 MeV微型电子加速器和一台拍瓦级功率的激光装置，也计划开展高能涡旋光子的研究。
图：使用逆康普顿散射产生高能涡旋X射线。利用相对论电子与强激光脉冲的非线性康普顿散射产生涡旋伽玛光子。具有内禀轨道角动量的涡旋伽玛光子在强激光、核物理、粒子物理和天体物理等领域具有丰富的应用。来源| Y.Taira, Gamma-ray vortex beams carrying orbital angular momentum，2017.
涡旋束作为一种全新的探针，即使是最简单的涡旋电子束也能够在核结构和强子结构等前沿物理研究中发挥重要作用。
图：涡旋电子具有广泛的应用
根据其能量的不同，涡旋电子束可以在多个物理领域发挥作用。例如，在原子物理领域，它可以用于原子谱学研究；在低能核物理领域，可以用于核结构的研究。在高能核物理领域，它可以用于极化深度非弹性散射（DIS）相关的核子结构问题的研究。值得注意的是，当前研究表明，约30%的质子自旋是由夸克自旋造成的，剩余约70%的质子自旋来源仍然未被充分解释。引入涡旋电子束，可以提供新的视角和方法，可能带来对质子自旋谜题的新见解。
图：涡旋电子束可用于探测质子内部的结构。如果涡旋电子和离子对撞，则为涡旋电子离子对撞机(vEIC)，有望成为一种新型的研究核子结构的大装置。来源| Dipangkar Dutta报告，2016
在我国，中国科学院近代物理研究所正在广东惠州建设的加速器集群为涡旋束的研究提供了良好的条件，有望实现更高能量和更好的成像分辨率，应用于诸如质子自旋之谜、原子和离子中的非偶极效应等问题的研究。利用未来惠州大装置提供的各种束流，特别是电子束流、中子束流及缪子束流等，还可以通过理论和实验研究来探索涡旋粒子的属性。
当前，国内外涡旋粒子的理论、实验和应用研究正在快速发展。虽然尚未出现高能的涡旋粒子束流，但涡旋态仍然提供了许多探索新物理效应的机会。任何新的想法和结果都将为该领域的发展贡献力量。
涡旋态的研究将为原子物理、粒子物理和核物理领域的研究注入新的动力，也将为我国核物理和粒子物理领域的研究提供新的方向。我们期望通过涡旋态的研究，能够打开新的大门，探索新的宇宙秘密。
致谢：感谢与中山大学Igor Ivanov教授、俄罗斯圣光机大学Dmitry Karlovets教授的有益讨论。感谢华南师范大学廖益教授审阅本文并提出宝贵建议。
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