Forskere opnår for første gang acceleration af elektroner i en protondrevet plasmabølge

Lørdag tidligt om morgenen, 26. maj 2018, AWAKE -samarbejdet hos CERN accelererede med succes elektroner for første gang ved hjælp af et wakefield genereret af protoner, der zippede gennem et plasma. Et papir, der beskriver dette vigtige resultat, blev offentliggjort i tidsskriftet Natur i dag. Elektronerne blev accelereret med en faktor på omkring 100 over en længde på 10 meter:de blev eksternt injiceret i AWAKE med en energi på omkring 19 MeV (millioner elektronvolt) og opnåede en energi på næsten 2 GeV (milliarder elektronvolt). Selvom det stadig er på et meget tidligt udviklingsstadium, brugen af ​​plasma -wakefields kan drastisk reducere størrelserne, og derfor omkostningerne, af acceleratorerne, der er nødvendige for at opnå de højenergikollisioner, som fysikere bruger til at undersøge de grundlæggende naturlove. Den første demonstration af elektronacceleration i AWAKE kommer kun fem år efter, at CERN godkendte projektet i 2013 og er et vigtigt første skridt i retning af at realisere denne vision.

VÅGEN, som står for "Advanced WAKEfield Experiment", er et principfast R &D-projekt, der undersøger brugen af ​​protoner til at drive plasmawakefelter til acceleration af elektroner til højere energier, end der kan opnås ved hjælp af konventionelle teknologier. Traditionelle acceleratorer bruger såkaldte radiofrekvens (RF) hulrum til at sparke partikelstrålerne til højere energier. Dette indebærer at skifte den elektriske polaritet i positivt og negativt ladede zoner i RF -hulrummet, med kombinationen af ​​tiltrækning og frastødning, der accelererer partiklerne i hulrummet. Derimod, i wakefield -acceleratorer, partiklerne accelereres ved at "surfe" oven på plasmabølgen (eller wakefield), der indeholder lignende zoner med positive og negative ladninger.

Plasma -wakefields i sig selv er ikke nye ideer; de blev først foreslået i slutningen af ​​1970'erne. "Wakefield -acceleratorer har to forskellige bjælker:den partikelstråle, der er målet for accelerationen, er kendt som en" vidneskive ", mens strålen, der genererer selve wakefield, er kendt som 'drivstrålen', "forklarer Allen Caldwell, talsmand for AWAKE -samarbejdet. Tidligere eksempler på wakefield -acceleration har påberåbt sig at bruge elektroner eller lasere til drivstrålen. AWAKE er det første eksperiment, der brugte protoner til drivstrålen, og CERN giver den perfekte mulighed for at prøve konceptet. Drivbjælker af protoner trænger dybere ind i plasmaet end drivstråler af elektroner og lasere. "Derfor, "Caldwell tilføjer, "wakefield -acceleratorer, der er afhængige af protoner til deres drivstråler, kan fremskynde deres vidnestråler i en større afstand, følgelig tillader dem at opnå højere energier. "

AWAKE får sine drive-protoner fra Super Proton Synchrotron (SPS), som er den sidste accelerator i kæden, der leverer protoner til Large Hadron Collider (LHC). Protoner fra SPS, rejser med en energi på 400 GeV, injiceres i en såkaldt "plasmacelle" af AWAKE, som indeholder Rubidium -gas ensartet opvarmet til omkring 200 ºC. Disse protoner ledsages af en laserpuls, der omdanner Rubidium -gassen til et plasma - en særlig tilstand af ioniseret gas - ved at skubbe elektroner ud fra gasatomerne. Da denne drivstråle af positivt ladede protoner bevæger sig gennem plasmaet, det får de ellers tilfældigt fordelte negativt ladede elektroner i plasmaet til at svinge i et bølgelignende mønster, omtrent som et skib, der bevæger sig gennem vandet, genererer svingninger i dets kølvandet. Vidne-elektroner injiceres derefter i en vinkel i dette oscillerende plasma ved relativt lave energier og "ride" plasmabølgen for at blive accelereret. I den anden ende af plasmaet, en dipolmagnet bøjer de indkommende elektroner på en detektor. "Dipolets magnetfelt kan justeres, så kun elektroner med en bestemt energi går igennem til detektoren og giver et signal på et bestemt sted inde i den, "siger Matthew Wing, vicetalsmand for AWAKE, som også er ansvarlig for dette apparat, kendt som elektronspektrometer. "Sådan kunne vi bestemme, at de accelererede elektroner nåede en energi på op til 2 GeV."

Den styrke, hvormed en accelerator kan accelerere en partikelstråle pr. Længdeenhed er kendt som dens accelerationsgradient og måles i volt pr. Meter (V/m). Jo større accelerationsgradient, jo mere effektiv acceleration. Den store elektron-Positron-kollider (LEP), som opererede på CERN mellem 1989 og 2000, brugte konventionelle RF -hulrum og havde en nominel accelerationsgradient på 6 MV/m. "Ved at accelerere elektroner til 2 GeV på bare 10 meter, AWAKE har vist, at den kan opnå en gennemsnitlig gradient på omkring 200 MV/m, "siger Edda Gschwendtner, teknisk koordinator og CERN projektleder for AWAKE. Gschwendtner og kolleger sigter mod at opnå en eventuel accelerationsgradient på omkring 1000 MV/m (eller 1 GV/m).

AWAKE har gjort hurtige fremskridt siden starten. Anlægsarbejder til projektet begyndte i 2014, og plasmacellen blev installeret i begyndelsen af ​​2016 i tunnelen, der tidligere blev brugt af en del af CNGS -anlægget på CERN. Et par måneder senere, de første drivstråler af protoner blev injiceret i plasmacellen for at igangsætte forsøgsapparatet, og et protondrevet wakefield blev observeret for første gang sidst i 2016. I slutningen af ​​2017, elektronkilden, elektronstrålelinje og elektronspektrometer blev installeret i AWAKE -anlægget for at fuldføre den forberedende fase.

Nu hvor de har demonstreret evnen til at accelerere elektroner ved hjælp af et protondrevet plasma-wakefield, AWAKE -teamet ser på fremtiden. "Vores næste trin omfatter planer om at levere accelererede elektroner til et fysikeksperiment og udvide projektet med et fuldt udbygget eget fysikprogram, "bemærker Patric Muggli, fysikkoordinator for AWAKE. AWAKE vil fortsætte med at teste elektronernes wakefield-acceleration i resten af ​​2018, hvorefter hele acceleratorkomplekset på CERN vil gennemgå en toårig nedlukning for opgraderinger og vedligeholdelse. Gschwendtner er optimistisk:"Vi ser frem til at få flere resultater fra vores eksperiment for at demonstrere omfanget af plasma -wakefields som grundlag for fremtidige partikelacceleratorer."