Forskere opnår den første acceleration af elektroner nogensinde i plasmabølger

The Large Hadron Collider (LHC) ved European Organisation for Nuclear Research (CERN) nær Genève, Schweiz siges at være den største partikelaccelerator i verden. Speederen optager en tunnel på 27 kilometer i omkreds så dyb som 175 meter under den fransk-schweiziske grænse. Anlægget har hjulpet forskere med at afdække Higgs-bosonen, den sidste partikel forudsagt af standardmodellen, i 2012.

Efter opdagelsen af ​​Higgs, et primært videnskabeligt mål for højenergifysikere har været at karakterisere dens egenskaber og at opdage andre højenergifysiske fænomener. Som resultat, der har været en hurtig udvikling inden for højenergipartikelacceleratorteknologier til støtte for højenergifysikforskning. Imidlertid, de teknologier, der er brugt til dato, kan kun forbedres og udvides med store omkostninger. Af denne grund, der er et presserende behov for at gøre højenergiacceleratorer mere overkommelige.

Et internationalt hold af fysikere, arbejder på Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment (AWAKE) på CERN, rapporteret, at de har udført et banebrydende eksperiment, der demonstrerer en ny måde at accelerere elektroner til høje energier - en, der dramatisk kan skrumpe størrelsen af ​​fremtidige partikelacceleratorer og sænke deres omkostninger. Et papir, der beskriver dette vigtige resultat, blev offentliggjort i Natur den 29. august, 2018.

AWAKE er et internationalt videnskabeligt samarbejde bestående af ingeniører og forskere fra 18 institutter, herunder CERN og Max Planck Institute for Physics i Tyskland. En UNIST-baseret forskningsgruppe, ledet af professor Moses Chung i Institut for Fysik er også en del af dette AWAKE-samarbejde og har givet en række vigtige bidrag til AWAKE. Dette omfatter design af beamlines og optimering af elektronstråleinjektion.

"AWAKEs teknologi vil medføre et paradigmeskifte i udviklingen af ​​fremtidige højenergipartikelacceleratorer, efter LHC, " siger professor Chung. "Den seneste præstation kan gøre det muligt for ingeniører at reducere størrelsen af ​​fremtidige partikelacceleratorer drastisk, skære ned på de enorme mængder penge, der normalt kræves for at bygge dem." Han tilføjer, "De højenergipartikelkollisioner, som disse faciliteter producerer, gør det muligt for fysikere at undersøge de grundlæggende naturlove, giver grundlag for fremskridt inden for en lang række forskellige områder."

Typisk, partikelfysiske eksperimenter bruger oscillerende elektriske felter, kaldet radiofrekvenshulrum, og kraftige magneter til at accelerere partikler til høje energier. Men disse eksperimenter må vokse sig ret store - de skal være, for at accelerere partikler med nok energi til korrekt at studere dem.

Som en alternativ omkostningsbesparende mulighed for at accelerere partikler mere effektivt, Wakefield-acceleratoren er blevet foreslået. Fysikere sender en stråle af enten elektroner, protoner, eller en laser gennem et plasma. Frie elektroner i plasmaet bevæger sig mod strålen, men overskyd det, så vælter tilbage, skabe en boblestruktur bag strålen og intense elektriske felter. Hvis du injicerer partikler, gerne flere elektroner, ind i kølvandet, det kan accelerere de injicerede partikler på kortere tid med et elektrisk felt 10 eller flere gange stærkere.

I undersøgelsen, proton-drevet plasma wakefield acceleration er blevet demonstreret for første gang. De stærke elektriske felter, genereret af en række protonmikrobundter, blev prøvet med en flok elektroner. Disse elektroner blev accelereret op til 2 GeV i ca. 10 m plasma og målt ved hjælp af et magnetisk spektrometer. Denne teknik har potentialet til at accelerere elektroner til TeV-skalaen i et enkelt accelerationstrin.

Selvom det stadig er i de tidlige stadier af programmet, AWAKE-samarbejdet har taget et vigtigt skridt på vejen til at realisere nye højenergipartikelfysiske eksperimenter.