AWAKE sår frø af kontrolleret partikelacceleration ved hjælp af plasma-wakefields

Fra tunnelen, der var vært for den nu pensionerede CERN Neutrinos til Gran Sasso (CNGS) faciliteten, søger AWAKE (Advanced Wakefield Experiment) at revolutionere området for partikelacceleration. Det 23-institut-stærke samarbejde sigter mod at introducere et levedygtigt og mere effektivt alternativ til traditionel radiofrekvensacceleration - med ladede partikler (i dette tilfælde elektroner) "surfing" på bølgerne af et plasmafelt (eller "wakefield") genereret af en kort, intens protonbundt affyret gennem plasmaet.

Mens plasmavågefelter har vist sig at producere accelerationsgradienter op til 1000 gange bedre end dem, der opnås med radiofrekvenshulrum, er deres anvendelse i højenergi- og partikelfysiske eksperimenter blevet begrænset af den upraktiske natur af nuværende teknikker, som kræver sidestilling af flere plasma kilder til at opnå høje energier. AWAKE, på den anden side, er det første eksperiment til at undersøge brugen af ​​protoner, frem for lasere eller elektronstråler, til at drive plasmaet.

For at skabe de passende vågnefelter i plasmaet til effektiv elektronacceleration skal den lange protonstråle, der udvindes mod VÅGT fra CERN Super Proton Synchrotron (SPS), opdeles i mindre grupper i en proces kendt som modulering. I et Physical Review Letters papir offentliggjort den 6. juli viste samarbejdet, hvordan en sådan modulering af protonstrålen kan kontrolleres ved at se processen med relativistiske elektroner - et afgørende skridt hen imod en brugbar wakefield-baseret accelerator.

For at forstå konceptet med seeding er det nødvendigt at dykke ned i teknologien bag AWAKE. Protonstrålen fra SPS injiceres i en dampkilde indeholdende rubidium, som omdannes til et plasma (en tilstand af ioniseret gas) af en laserimpuls, der går forud for protonbundtet. Et kort elektronbundt kan derefter injiceres i protonvågen for at blive accelereret til høj energi. For at elektronerne kan ride på plasmaets bølger effektivt, skal længden af ​​protonbunken svare til plasmabølgelængden. Heldigvis bryder den lange protonstråle fra SPS automatisk op i så små bundter, når den forplanter sig gennem plasmaet (den "selv-modulerer"), hvilket gjorde det muligt for AWAKE at demonstrere den første acceleration af elektroner ved hjælp af denne teknik i 2018.

"For at bevare reproducerbarheden af ​​hele den modulerede protonstråle og derved dens evne til at accelerere elektroner, udtænkte vi en teknik til at kontrollere nøjagtigt, hvornår moduleringen begynder:vi så den med en indledende elektronbunke, forskellig fra den, der er målrettet for acceleration Ved at injicere denne flok flere hundrede picosekunder, før protonerne kommer ind i plasmaet, modulerer fronten af ​​protonstrålen synkront og skaber et regulært vågenfelt, hvis fase kan måles præcist," forklarer Livio Verra, fysiker i Lepton Accelerators and Facilities. (ABP-LAF) sektion i Beams-afdelingen og den første forfatter til papiret. Injektion af elektronbunken, hvis acceleration eksperimentet er rettet mod, kan derefter times perfekt. Accelerationen bliver derfor bæredygtig og kontrolleret, hvilket giver en uovertruffen overordnet gradient.

Edda Gschwendtner, AWAKE-projektlederen hos CERN, ser med optimisme på fremtiden:"Den ultimative succes for wakefield-teknologien udviklet af AWAKE hviler på muligheden for at udså protonbundtet selvmodulation. Med denne milepæl nu opnået, er samarbejdet klar til at tackle vores næste udfordringer, begyndende med idriftsættelsen af ​​en ny plasmakilde."

Denne kilde, som er ved at blive udviklet af Max Planck Instituttet i München, Tyskland, vil generere et plasma med to regioner med forskellig tæthed (og derfor med forskellig temperatur), hvilket yderligere vil øge den samlede accelerationsgradient i forhold til det opnåede indtil nu. Introduktionen af ​​en ny plasmakilde er kun et aspekt af det omfattende program af undersøgelser, der skal udføres under AWAKEs anden fysikkørsel.

CERN's Long Shutdown 3 vil se demontering af de sidste resterende komponenter af CNGS-anlægget. AWAKE planlægger at få mest muligt ud af denne mulighed ved at bruge den frigjorte plads til de næste faser af eksperimentet. Disse faser vil fokusere på at accelerere elektroner til høj energi og samtidig bevare strålekvaliteten, en forudsætning for fremtidige anvendelser inden for partikelfysik.

Sideløbende vil samarbejdet fortsætte med at udvikle skalerbare plasmakildeteknologier, såsom udlednings- og helikonplasmaceller, som er nøglen til at øge den endelige energirækkevidde. Når disse teknologier er blevet valideret, og kontrolleret elektronacceleration er blevet demonstreret, vil det åbne døren til fremtidige højenergiapplikationer, såsom eksperimenter med faste mål, der søger efter mørkt stof. + Udforsk yderligere

'Awake'-konceptet bringer protonbundter i synkronisering