提到研究微觀世界，人們首先想到的工具就是顯微鏡，而粒子加速器正是研究微觀粒子世界的超級顯微鏡。人們想要研究的基本粒子（例如原子核）可以類比為一個核桃，如果要看到核桃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以用石頭砸開核桃，看清楚其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。我們常見的各種粒子加速器，例如高能對撞機、同步輻射光源和自由電子激光，就是加速帶電粒子進行對撞或者進行照射成像，來探測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的一種研究工具。

　　通常，人們采用微波來進行高能粒子加速，由于加速結(jié)構(gòu)存在打火擊穿的限制，高能加速器的規(guī)模和造價都越來越難以承受，例如西歐核子中心大型強子對撞機（LHC）周長達到27公里，正在預研的下一代高能加速器——環(huán)形對撞機（CEPC）周長預計可能接近100公里。2018年10月，法國科學家、飛秒激光發(fā)明人熱拉爾·穆魯被授予諾貝爾物理學獎，諾貝爾學院在頒獎報告中特別提到超短超強激光技術(shù)在加速器和醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著超短超強激光技術(shù)的發(fā)展，激光聚焦光強可以達到1018W/cm2以上，對應(yīng)的電場高達1012V/m。這樣強的激光與等離子體相互作用時，克服了真空擊穿問題，產(chǎn)生的加速電場可以比常規(guī)加速器至少高出千倍以上，可以更加經(jīng)濟地實現(xiàn)高能粒子加速。例如采用激光加速器可以把3公里長的美國斯坦福大學30GeV直線加速器縮短到足球場大小，激光加速器使得“大物理變小”。同時激光加速器產(chǎn)生的粒子束具有能量高、脈沖短（皮秒量級）、尺寸?。ㄎ⒚祝?、方向性好以及峰值流強高等特點，未來在腫瘤輻照與免疫放療、等離子體磁場診斷、短壽命粒子加速、光核物理、質(zhì)子超聲和材料輻照等方面具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

　　先進加速器作為前沿科學中的核心儀器設(shè)備，對人類的生存與發(fā)展以及國家安全具有重要影響，成為衡量綜合國力的一項重要標志。有鑒于此，美日歐等國家競相開展了激光等離子體加速器前沿研究，目前國際上100TW級別的激光加速實驗室已經(jīng)超過100多個。世界上最大的加速器實驗室歐洲核子研究中心（CERN）也將等離子體加速作為未來加速器的重要選項，并將優(yōu)先開展這方面的研究。目前國際超強激光委員會（ICUIL）與國際未來加速器委員會（ICFA）已經(jīng)開始就相對論等離子體加速研究開展合作，并將百MeV離子加速、高亮度光源和TeV高能對撞機作為未來發(fā)展的三個重要階段目標。

　　2019年北京大學重離子物理研究所激光加速團隊建議的先進加速器平臺——北京激光加速創(chuàng)新中心項目（簡稱“中心”）入選了懷柔科學城第二批交叉平臺，并由北京大學原校長陳佳洱院士擔任中心理事長，飛秒激光發(fā)明人熱拉爾·穆魯教授擔任國際科學顧問。中心將建造短脈沖激光質(zhì)子加速器和短脈沖寬譜高亮度光源應(yīng)用裝置，打造國際領(lǐng)先的激光加速器創(chuàng)新平臺，支撐新一代光源預研，為未來國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施落地奠定基礎(chǔ)，并有望培育新型加速器產(chǎn)業(yè)。這一科學中心將基于重頻拍瓦飛秒激光裝置，建設(shè)拍瓦激光粒子加速器，將實現(xiàn)最高能量百兆電子伏以上的質(zhì)子束產(chǎn)生，并探索激光驅(qū)動的高峰值流強粒子束（質(zhì)子）在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用，同時針對緊湊型激光粒子放療系統(tǒng)開展關(guān)鍵技術(shù)研究，研發(fā)穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵部件，搭建國產(chǎn)拍瓦激光系統(tǒng)，最終實現(xiàn)圍繞腫瘤治療的應(yīng)用示范目標。該科學中心還將圍繞激光驅(qū)動高能帶電離子束的產(chǎn)生及其在聚變能源、空間輻射模擬、生物輻照和超快粒子束應(yīng)用等方面開展開拓性研究，促進激光加速器與能源、空間、生物以及材料等學科的交叉融合；也將建設(shè)完善的工藝支撐平臺，為科學研究提供有力支撐和保障，并形成產(chǎn)學研一體化的前沿陣地。

　　如今，北京激光加速創(chuàng)新中心的基建、裝修工程已全部完工，設(shè)備已全部進場，完成了初步安裝。這里即將擁有世界上功率最高的1赫茲重頻2拍瓦激光裝置，它可以產(chǎn)生各種超快粒子束流。作為國際上最先進的激光加速平臺之一，激光驅(qū)動的超快束流可以應(yīng)用在多個前沿領(lǐng)域，對于腫瘤免疫治療、核電池、核鐘、能源和超快核物理等研究都將有重要意義和應(yīng)用價值。

　　《光明日報》（2023年11月23日 16版，作者：顏學慶 北京大學博雅特聘教授）