Framtiden för partikelacceleration har börjat. Vakna är ett lovande koncept för en helt ny metod med vilken partiklar kan accelereras även över korta sträckor. Grunden för detta är en plasmavåg som accelererar elektroner och därmed tar dem till höga energier. Ett team som leds av Max Planck Institute for Physics rapporterar nu ett genombrott i detta sammanhang. För första gången, de kunde exakt ta fram produktionen av protonmikrobunkar som driver vågen i plasma. Detta uppfyller en viktig förutsättning för att använda Awake -tekniken för kollisionsexperiment.

Hur skapar man en våg för elektroner? Bärarsubstansen för detta är en plasma (dvs. en joniserad gas där positiva och negativa laddningar separeras). Att styra en protonstråle genom plasma skapar en våg på vilken elektroner åker och accelereras till höga energier.

Protonkällan till Awake är SPS -ringen vid Cern, en föraccelerator för den 27 kilometer långa omkretsringen av Large Hadron Collider (LHC). Den producerar protonkrossar cirka 10 cm långa. "Dock, för att generera en plasmavåg med stor amplitud, protongängslängden måste vara mycket kortare - i millimeterområdet, "förklarar Fabian Batsch, Ph.D. student vid Max Planck Institute for Physics.

Forskarna utnyttjar självmodulation, en "naturlig" interaktion mellan gänget och plasma. "I processen, det längre protongänget delas upp i högenergiprotonmikrobuncher på bara några millimeter i längd, bygga tågbalken, "säger Batsch." Denna process bildar en plasmavåg, som sprider sig med tåget som färdas genom plasmafältet. "

Exakt timing möjliggör perfekt elektronacceleration

Dock, ett stabilt och reproducerbart fält krävs för att accelerera elektroner och bringa dem till kollision. Detta är precis vad teamet har hittat en lösning för nu. "Om ett tillräckligt stort elektriskt fält appliceras när det långa protongänget injiceras och självmoduleringen därmed sätts igång direkt."

"Eftersom plasma bildas direkt, vi kan exakt tid fasen av de korta protonmikrobuncherna, "säger Patric Muggli, chef för Awake -arbetsgruppen vid Max Planck -institutet för fysik. "Detta gör att vi kan ställa in tempot för tåget. Således, elektronerna fångas upp och accelereras av vågen i det ideala ögonblicket. "

Första forskningsprojekt i sikte

Vakna -tekniken är fortfarande i ett tidigt utvecklingsstadium. Dock, för varje steg mot framgång, chanserna för att denna acceleratorteknik faktiskt kommer att användas under de kommande decennierna ökar. De första förslagen för mindre acceleratorprojekt (t.ex. till exempel för att studera den fina strukturen hos protoner) ska göras redan 2024.

Enligt Muggli, fördelarna med den nya acceleratortekniken - plasma -wakefieldacceleration - är uppenbara:"Med denna teknik, vi kan minska avståndet som behövs för att accelerera elektroner till topp energi med en faktor 20. Framtidens acceleratorer kan därför vara mycket mindre. Det betyder:Mindre utrymme, mindre ansträngning, och därför lägre kostnader. "