AWAKE-samarbejdet opnår kontrol over ustabiliteten af ​​en protonbundt i plasma

Advanced WAKEfield Experiment (AWAKE) er et stort eksperiment udført på CERN, der undersøger plasma wakefield-acceleration. Det er den første forskningsindsats på dette område at bruge en relativistisk protonbundt som driver af plasmavågefelter til at accelerere vidneelektroner til høje energier.

Brugen af ​​en protonbundt har adskillige fordele til plasmaaccelerationseksperimenter. Mest bemærkelsesværdigt giver det forskere mulighed for at opretholde en stor accelerationsgradient over lange afstande uden at skulle opdele acceleratoren i flere forskellige sektioner.

AWAKE-samarbejdet, gruppen af ​​forskere, der er involveret i AWAKE-eksperimentet, omfatter mere end 100 ingeniører og fysikere fra 23 forskellige institutter verden over. I et nyligt papir offentliggjort i Physical Review Letters , viser dette store hold af videnskabsmænd, at selvmodulationen af ​​en protonbundt kan kontrolleres ved at så ustabiliteten.

"Tilgængelige protonbundter er meget længere end den typiske plasmabølgelængde," sagde Livio Verra, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org. "For at drive store amplitude-vågefelter stoler vi på selv-modulations-ustabiliteten af ​​bundtet i plasma. Denne proces forvandler den lange flok til et tog af mikro-bundter, adskilt af perioden for vågefelterne, der driver vågefelter med store amplitude."

For at sikre, at protonbundtets selvmodulationsproces er reproducerbar og kan kontrolleres med høje præcisionsniveauer, skal bundtens ustabilitet "sås". I deres tidligere undersøgelser opnåede forskerne dette ved at tænde for plasmaet i protonbundtet ved hjælp af en laserpuls.

På trods af deres lovende resultater fandt de ud af, at denne metode havde den betydelige begrænsning, at den kun modulerede en brøkdel af protonbunken.

"I vores nye papir viser vi, at selvmodulationen kan sees ved hjælp af wakefields drevet af en forudgående elektronbund," forklarede Verra. "I dette tilfælde selvmodulerer hele protonbunken på en kontrolleret og reproducerbar måde, det er en vigtig milepæl for eksperimentets fremtid."

I sammenhæng med protondrevne plasma-vågefeltacceleratorer er selvmodulationsprocessen i det væsentlige en ustabilitet, hvor amplituden af ​​vågefelterne i plasma vokser langs protonbundtet og langs plasmaet. Væksten af ​​denne selvmodulering er bestemt af to nøgleparametre, nemlig amplituden af ​​frøvågefelterne, som definerer startværdien af ​​felterne, og væksthastigheden, som definerer, hvor hurtigt ustabiliteten vokser.

"Ved at udså selvmodulationen med det foregående elektronbundt adskiller vi disse to parametre, som andre podningsmetoder altid er korrelerede med," sagde Verra. "Dette betyder, at parametrene for frøelektronbundtet definerer frøvågefelternes amplitude, og parametrene for protonbundtet definerer væksthastigheden af ​​ustabiliteten."

Ved at bruge den tilgang, der blev præsenteret i deres papir, var Verra og hans kolleger i stand til uafhængigt at kontrollere væksten af ​​selvmodulationen af ​​et protonbundt i CERNs plasmapartikelaccelerator ved hjælp af to forskellige "knapper." Disse er i bund og grund de to nøgleparametre, der definerer selvmodulationens vækst.

Det nylige arbejde fra dette hold af forskere viser, at hele protonbunken i deres plasmapartikelaccelerator selvmodulerer på en reproducerbar måde. Dette afgørende fund kunne bane vejen for nyt eksperimentelt design inden for protondrevet plasma wakefield acceleration, som er afhængig af to separate plasmaer.

En af disse plasmaer ville være specifikt involveret i selvmodulationsprocessen, mens den anden i elektronacceleration. Disse to plasmaer vil blive adskilt af et mellemrumsområde, hvor injektionen af ​​vidneelektronbundtet finder sted.

"Da det andet plasma vil blive præformet, skal hele protonbundtet selvmoduleres," sagde Verra. "Desuden er det at vise kontrollen af ​​en ustabilitet et vigtigt selvstændigt fysikresultat, som kunne udvides til andre særlige emner inden for plasmafysik."

Since the beginning of 2022, the AWAKE collaboration has been conducting several studies focusing on the seeding of the self-modulation instability in plasma using an electron bunch. Currently, they are specifically exploring their method's tolerances in terms of the spatial and timing alignment between beams.

"The questions we are trying to address are:how far from each another in transverse position can the electron and proton beams be injected, without destructive instabilities to occur?" Verra added. "And:how far ahead the electron bunch needs to be injected with respect to the proton bunch for seeding effectively? In 2023–2024, we are going to study the effect of a plasma density step on the self-modulation and on the amplitude of the wakefields, and afterwards we will modify the experiment to accommodate the second plasma for the acceleration experiment."

The team's ultimate goal will be that of delivering high-quality and high-energy electron bunches within particle physics experiments. Their next studies will take further steps in this direction. + Udforsk yderligere

AWAKE sows seeds of controlled particle acceleration using plasma wakefields

© 2022 Science X Network