Large Hadron Collider (LHC) vid European Organization for Nuclear Research (CERN) nära Genève, Schweiz sägs vara den största partikelacceleratorn i världen. Gaspedalen upptar en tunnel på 27 kilometer i omkrets så djupt som 175 meter under den fransk-schweiziska gränsen. Anläggningen har hjälpt forskare att avslöja Higgs boson, den sista partikeln som förutses av standardmodellen, under 2012.

Efter upptäckten av Higgs, ett primärt vetenskapligt mål för högenergifysiker har varit att karakterisera dess egenskaper och att upptäcka andra högenergifysikfenomen. Som ett resultat, det har skett en snabb utveckling inom högenergipartikelacceleratorteknologier för att stödja forskning med hög energi. Dock, den teknik som hittills använts kan bara förbättras och utökas till stora kostnader. Av denna anledning, det är angeläget att göra högenergiacceleratorer billigare.

Ett internationellt team av fysiker, arbetar med Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment (AWAKE) på CERN, rapporterade att de har genomfört ett banbrytande experiment som visar ett nytt sätt att accelerera elektroner till höga energier - ett som dramatiskt kan minska storleken på framtida partikelacceleratorer och sänka deras kostnader. Ett papper som beskriver detta viktiga resultat publicerades i Natur den 29 augusti, 2018.

AWAKE är ett internationellt vetenskapligt samarbete som består av ingenjörer och forskare från 18 institut, inklusive CERN och Max Planck Institute for Physics i Tyskland. En UNIST-baserad forskargrupp, ledd av professor Moses Chung vid Institutionen för fysik är också en del av detta AWAKE -samarbete och gjorde ett antal viktiga bidrag till AWAKE. Detta inkluderar konstruktion av strållinjer och optimering av elektronstråleinsprutning.

"AWAKEs teknik kommer att åstadkomma ett paradigmskifte i utvecklingen av framtida partikelacceleratorer med hög energi, efter LHC, "säger professor Chung." Den senaste prestationen kan göra det möjligt för ingenjörer att drastiskt minska storleken på framtida partikelacceleratorer, minska på de stora mängder pengar som normalt krävs för att bygga dem. "Han tillägger, "De högenergipartikelkollisioner som dessa anläggningar ger gör det möjligt för fysiker att undersöka de grundläggande naturlagarna, som utgör grunden för framsteg inom ett stort antal olika områden. "

Vanligtvis, partikelfysik experiment använder oscillerande elektriska fält, kallas radiofrekvenshålor, och kraftfulla magneter för att accelerera partiklar till höga energier. Men dessa experiment måste växa sig ganska stora - de måste vara, för att påskynda partiklar med tillräckligt med energi för att studera dem ordentligt.

Som ett alternativt kostnadsbesparande alternativ för att påskynda partiklar mer effektivt, wakefield -acceleratorn har föreslagits. Fysiker skickar en stråle av antingen elektroner, protoner, eller en laser genom en plasma. Fria elektroner i plasma rör sig mot strålen, men överskrid det, sedan kraschar tillbaka, skapa en bubbelstruktur bakom strålen och intensiva elektriska fält. Om du injicerar partiklar, som fler elektroner, i kölvattnet, det kan accelerera de injicerade partiklarna på kortare tid med ett elektriskt fält 10 eller fler gånger starkare.

I studien, protondriven plasma-wakefield-acceleration har visats för första gången. De starka elektriska fälten, genereras av en serie protonmikrobuncher, samplades med ett gäng elektroner. Dessa elektroner accelererades upp till 2 GeV i cirka 10 m plasma och mättes med hjälp av en magnetisk spektrometer. Denna teknik har potential att accelerera elektroner till TeV -skalan i ett enda accelererande steg.

Även om det fortfarande är i ett tidigt skede av programmet, AWAKE -samarbetet har tagit ett viktigt steg på vägen mot att realisera nya partikelfysiska experiment med hög energi.