Lav bølger i acceleratorteknologi

AWAKE-samarbejdet har nået en stor milepæl; i den sidste uge af CERNs acceleratordrift for 2016, den har observeret stærk modulering af højenergi-protonbundter i plasma, signalerer generering af meget stærke elektromagnetiske felter. Dette er et væsentligt skridt hen imod målet om at bruge den protondrevne plasma wakefield teknik til at accelerere elektroner.

Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment (AWAKE) er den første facilitet, der undersøger brugen af ​​plasma-vågefelter drevet af protonstråler til at accelerere ladede partikler.

"Brugen af ​​protonbundter til at drive wakefields er af særlig interesse på grund af den store energi, som protonbundterne transporterer fra CERN SPS og LHC acceleratorerne, " siger Patric Muggli, AWAKE fysikkoordinator fra CERN og Max Planck Institute for Physics i München. "Det giver mulighed for meget længere accelerationstrin end for andre teknikker, " påpeger han.

Anlægget blev idriftsat med succes mellem juni og november, og eksperimentet tog sine første data i den sidste uge af acceleratoroperationer på CERN i 2016.

AWAKE-eksperimentet injicerer en "drive" flok protoner fra CERNs SPS-accelerator ind i en plasmasøjle skabt ved at ionisere en gas med en laser. Når denne flok interagerer med plasmaet, den deler sig i en række mindre bundter, i en proces kaldet selvmodulering. Når disse kortere bundter bevæger sig gennem plasmaet, de genererer et stærkt wakefield. Det er selvmoduleringsprocessen, som AWAKE-teamet har observeret signaler om, og hvorfra det kan udlede skabelsen af ​​wakefield.

Det næste skridt, som AWAKE endnu ikke har demonstreret, er at injicere en anden stråle af elektroner, "vidne"-strålen, i den rigtige fase bag protonstrålen. Denne vidnestråle "føler" vågefeltet og accelereres, ligesom en surfer accelererer ved at ride på en bølge.

Brugen af ​​plasma til at accelerere partikler er et potentielt alternativ til traditionelle accelerationsmetoder, der er afhængige af radiofrekvente elektromagnetiske hulrum. Det har længe været kendt, at plasmaer er i stand til at understøtte meget stærke elektriske felter. Udfordringen for forskere er at forstå den bedste måde at udnytte denne evne til at skabe fremtidige kompakte og kraftfulde partikelacceleratorer til rimelige omkostninger. Felterne genereret af plasmavågefelter drevet af protonstråler kan være op til to størrelsesordener højere end felter, der kan opnås ved brug af konventionelle radiofrekvenshulrum.

"At have observeret indikationer for første gang af protonbundselvmodulering, efter blot et par dages test er en fremragende præstation. Det er ned til et meget motiveret og dedikeret team, " griner Edda Gschwendtner, CERN AWAKE projektleder og teknisk koordinator.

"Vi planlægger nu at studere denne proces i detaljer i 2017. Vi håber derefter at demonstrere accelerationen af ​​elektroner i kølvandet på protonbunken, " tilføjer AWAKE-talsmanden, Allen Caldwell, fra Max Planck Institute of Physics i München.

Denne spændende udvikling, kulminationen på tre års intens forberedelse, åbner en ny æra med udvikling af partikelacceleratorer på CERN og på verdensplan.