Tidigt på morgonen på lördag, 26 maj 2018, AWAKE -samarbetet på CERN accelererade framgångsrikt elektroner för första gången med hjälp av ett wakefield genererat av protoner som zippar genom en plasma. En artikel som beskrev detta viktiga resultat publicerades i tidskriften Natur i dag. Elektronerna accelererades med en faktor på cirka 100 över en längd av 10 meter:de injicerades externt i AWAKE med en energi på cirka 19 MeV (miljoner elektronvolts) och uppnådde en energi på nästan 2 GeV (miljarder elektronvolts). Även om det fortfarande är i ett mycket tidigt utvecklingsstadium, användningen av plasma wakefields kan drastiskt minska storleken, och därför kostnaderna, av acceleratorerna som behövs för att uppnå de högenergikollisioner som fysiker använder för att undersöka de grundläggande naturlagarna. Den första demonstrationen av elektronacceleration i AWAKE kommer bara fem år efter att CERN godkände projektet 2013 och är ett viktigt första steg mot att förverkliga denna vision.

VAKEN, som står för "Advanced WAKEfield Experiment", är ett principiellt bevisat FoU-projekt som undersöker användningen av protoner för att driva plasma-wakefields för att accelerera elektroner till högre energier än vad som kan uppnås med konventionell teknik. Traditionella acceleratorer använder så kallade radiofrekvenshåligheter (RF) för att sparka partikelstrålarna till högre energier. Detta innebär att den elektriska polariteten för positivt och negativt laddade zoner i RF -kaviteten växlas, med kombinationen av attraktion och avstötning accelererar partiklarna i hålrummet. Däremot, i wakefield -acceleratorer, partiklarna accelereras genom att "surfa" ovanpå plasmavågan (eller wakefield) som innehåller liknande zoner med positiva och negativa laddningar.

Plasma -wakefields i sig är inte nya idéer; de föreslogs först i slutet av 1970 -talet. "Wakefield -acceleratorer har två olika strålar:partikelstrålen som är målet för accelerationen är känd som en" vittnesstråle ", medan strålen som genererar själva wakefield är känd som "drivbalk", " förklarar Allen Caldwell, talesperson för AWAKE -samarbetet. Tidigare exempel på wakefield -acceleration har förlitat sig på att använda elektroner eller lasrar för drivstrålen. AWAKE är det första experimentet som använder protoner för drivstrålen, och CERN ger ett perfekt tillfälle att testa konceptet. Drivstrålar av protoner tränger djupare in i plasma än drivstrålar av elektroner och lasrar. "Därför, "tillägger Caldwell, "wakefield -acceleratorer som förlitar sig på protoner för sina drivstrålar kan accelerera sina vittnesstrålar för ett större avstånd, följaktligen tillåta dem att uppnå högre energier. "

AWAKE får sina driv-protoner från Super Proton Synchrotron (SPS), som är den sista acceleratorn i kedjan som levererar protoner till Large Hadron Collider (LHC). Protoner från SPS, resa med en energi på 400 GeV, injiceras i en så kallad "plasmacell" av AWAKE, som innehåller Rubidium -gas uppvärmd enhetligt till cirka 200 ºC. Dessa protoner åtföljs av en laserpuls som omvandlar Rubidium -gasen till en plasma - ett speciellt tillstånd av joniserad gas - genom att mata ut elektroner från gasatomerna. När denna drivstråle av positivt laddade protoner färdas genom plasman, det får de annars slumpmässigt fördelade negativt laddade elektronerna i plasma att svänga i ett vågliknande mönster, ungefär som ett fartyg som rör sig genom vattnet genererar svängningar i dess kölvatten. Vittneselektroner injiceras sedan i en vinkel i denna oscillerande plasma med relativt låga energier och "kör" på plasmavågen för att få acceleration. I den andra änden av plasma, en dipolmagnet böjer de inkommande elektronerna på en detektor. "Dipolens magnetfält kan justeras så att endast elektroner med en specifik energi går igenom till detektorn och ger en signal på en viss plats inuti den, säger Matthew Wing, biträdande talesperson för AWAKE, som också är ansvarig för denna apparat, känd som elektronspektrometern. "Det här är hur vi kunde fastställa att de accelererade elektronerna nådde en energi på upp till 2 GeV."

Styrkan med vilken en accelerator kan accelerera en partikelstråle per längdenhet är känd som dess accelerationsgradient och mäts i volt per meter (V/m). Ju större accelerationsgradient, desto effektivare acceleration. Large Electron-Positron Collider (LEP), som opererade på CERN mellan 1989 och 2000, använde konventionella RF -håligheter och hade en nominell accelerationsgradient på 6 MV/m. "Genom att accelerera elektroner till 2 GeV på bara 10 meter, AWAKE har visat att den kan uppnå en genomsnittlig gradient på cirka 200 MV/m, "säger Edda Gschwendtner, teknisk koordinator och CERN -projektledare för AWAKE. Gschwendtner och kollegor strävar efter att uppnå en eventuell accelerationsgradient på cirka 1000 MV/m (eller 1 GV/m).

AWAKE har gjort snabba framsteg sedan starten. Anläggningsarbeten för projektet började 2014, och plasmacellen installerades i början av 2016 i tunneln som tidigare användes av en del av CNGS -anläggningen vid CERN. Några månader senare, de första drivstrålarna av protoner injicerades i plasmacellen för att driva experimentapparaten, och ett protondrivet wakefield observerades för första gången i slutet av 2016. I slutet av 2017, elektronkällan, elektronstrålningslinje och elektronspektrometer installerades i AWAKE -anläggningen för att slutföra den förberedande fasen.

Nu när de har visat förmågan att accelerera elektroner med hjälp av ett protondrivet plasmavakfält, AWAKE -teamet ser framåt. "Våra nästa steg inkluderar planer på att leverera accelererade elektroner till ett fysikexperiment och att utöka projektet med ett eget fullfjädrat fysikprogram, "konstaterar Patric Muggli, fysikkoordinator för AWAKE. AWAKE kommer att fortsätta testa wakefield-acceleration av elektroner under resten av 2018, varefter hela acceleratorkomplexet vid CERN kommer att genomgå en tvåårig avstängning för uppgraderingar och underhåll. Gschwendtner är optimistisk:"Vi ser fram emot att få fler resultat från vårt experiment för att visa omfattningen av plasma -wakefields som grund för framtida partikelacceleratorer."