Awake-konceptet bringer protonbundter i synkronisering

Fremtiden for partikelacceleration er begyndt. Awake er et lovende koncept for en helt ny metode, hvormed partikler kan accelereres selv over korte afstande. Grundlaget for dette er en plasmabølge, der accelererer elektroner og dermed bringer dem til høje energier. Et hold ledet af Max Planck Institute for Physics rapporterer nu om et gennembrud i denne sammenhæng. For første gang, de var i stand til præcist at time produktionen af ​​de protonmikrobundter, der driver bølgen i plasmaet. Dette opfylder en vigtig forudsætning for at bruge Awake-teknologien til kollisionseksperimenter.

Hvordan laver man en bølge for elektroner? Bærestoffet til dette er et plasma (dvs. en ioniseret gas, hvori positive og negative ladninger er adskilt). At rette en protonstråle gennem plasmaet skaber en bølge, hvorpå elektroner rider og accelereres til høje energier.

Protonkilden til Awake er SPS-ringen ved Cern, en for-accelerator til den 27 kilometer lange omkredsring af Large Hadron Collider (LHC). Den producerer protonbundter på omkring 10 cm lange. "Imidlertid, for at generere en plasmabølge med stor amplitude, protonbundlængden skal være meget kortere - i millimeterområdet, " forklarer Fabian Batsch, Ph.D. studerende ved Max Planck Institute for Physics.

Forskerne drager fordel af selvmodulering, en "naturlig" interaktion mellem bundtet og plasma. "I processen det længere protonbundt er opdelt i højenergiprotonmikrobundter på kun få millimeter lange, bygge togbjælken, " siger Batsch. "Denne proces danner en plasmabølge, som forplanter sig med toget, der kører gennem plasmafeltet."

Præcis timing muliggør ideel elektronacceleration

Imidlertid, et stabilt og reproducerbart felt er påkrævet for at accelerere elektroner og bringe dem til kollision. Det er præcis, hvad teamet har fundet en løsning på nu. "Hvis der påføres et tilstrækkeligt stort elektrisk felt, når det lange protonbundt injiceres, og selvmodulationen dermed straks sættes i gang."

"Da plasmaet dannes med det samme, vi kan nøjagtigt time fasen af ​​de korte protonmikrobundter, " siger Patric Muggli, leder af Awake-arbejdsgruppen på Max Planck Institute for Physics. "Dette giver os mulighed for at sætte tempoet for toget. Således, elektronerne fanges og accelereres af bølgen i det ideelle øjeblik."

De første forskningsprojekter i sigte

Awake-teknologien er stadig i de tidlige udviklingsstadier. Imidlertid, med hvert skridt mod succes, chancerne for, at denne acceleratorteknologi faktisk bliver brugt i de kommende årtier, øges. De første forslag til mindre acceleratorprojekter (f.eks. for at studere den fine struktur af protoner) skal laves allerede i 2024.

Ifølge Muggli, fordelene ved den nye acceleratorteknologi - plasma wakefield acceleration - er indlysende:"Med denne teknologi, vi kan reducere den nødvendige afstand til at accelerere elektroner til spidsenergi med en faktor 20. Fremtidens acceleratorer kan derfor være meget mindre. Det betyder:Mindre plads, mindre indsats, og dermed lavere omkostninger."