Bilden sammanfattar en av tidningens viktiga punkter:att elektronknippet såddar protongängets självmodulering (timingen för mikrogängståget är reproducerbar från händelse till händelse) och att när man fördröjer timingen för elektronknippen, tajmingen av moduleringen är försenad med samma mängd. I den nedre figuren är elektrongänget försenat med 7ps, och så är timingen för mikrogängståget. Kredit:AWAKE Collaboration.
Advanced WAKEfield Experiment (AWAKE) är ett stort experiment utfört vid CERN som undersöker plasma wakefield-acceleration. Det är den första forskningsinsatsen inom detta område att använda ett relativistiskt protongäng som en drivkraft för plasmavakfält för att accelerera vittneselektroner till höga energier.
Användningen av ett protongäng har många fördelar för experiment med plasmaacceleration. Framför allt tillåter det forskare att upprätthålla en stor accelerationsgradient över långa avstånd, utan att behöva dela upp acceleratorn i flera olika sektioner.
AWAKE-samarbetet, gruppen forskare som är involverade i AWAKE-experimentet, omfattar mer än 100 ingenjörer och fysiker från 23 olika institut världen över. I en nyligen publicerad artikel publicerad i Physical Review Letters , visar detta stora team av forskare att självmoduleringen av ett protongäng kan kontrolleras genom att så instabiliteten.
"Tillgängliga protonbuntar är mycket längre än den typiska plasmavåglängden," sa Livio Verra, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "För att driva wakefields med stora amplituder förlitar vi oss på instabiliteten för självmodulering av gänget i plasma. Denna process förvandlar det långa gänget till ett tåg av mikroknippen, åtskilda av vakfältens period, som driver wakefields med stor amplitud."
För att säkerställa att protongängets självmoduleringsprocess är reproducerbar och kan kontrolleras med höga precisionsnivåer, måste instabiliteten hos gänget "seedas". I sina tidigare studier uppnådde forskarna detta genom att sätta på plasman i protongruppen med hjälp av en laserpuls.
Trots sina lovande resultat fann de att denna metod hade den betydande begränsningen att bara modulera en bråkdel av protongruppen.
"I vårt nya dokument visar vi att självmoduleringen kan seedas med hjälp av wakefields som drivs av ett föregående elektrongäng," förklarade Verra. "I det här fallet självmodulerar hela protongruppen på ett kontrollerat och reproducerbart sätt, det är en viktig milstolpe för experimentets framtid."
I samband med protondrivna plasma-vakfältsacceleratorer är självmoduleringsprocessen i huvudsak en instabilitet, där amplituden av vakfälten i plasma växer längs protongänget och längs plasmat. Tillväxten av denna självmodulering bestäms av två nyckelparametrar, nämligen amplituden av frövågfälten, som definierar startvärdet för fälten, och tillväxthastigheten, som definierar hur snabbt instabiliteten växer.
"Genom att se självmoduleringen med det föregående elektrongänget, löser vi dessa två parametrar, med vilka andra seedningsmetoder alltid är korrelerade," sa Verra. "Detta betyder att parametrarna för fröelektrongänget definierar frövakfältets amplitud och parametrarna för protongänget definierar tillväxthastigheten för instabiliteten."
Genom att använda tillvägagångssättet som presenterades i deras artikel kunde Verra och hans kollegor oberoende kontrollera tillväxten av självmoduleringen av ett protongäng i CERNs plasmapartikelaccelerator med två distinkta "rattar". Dessa är i huvudsak de två nyckelparametrarna som definierar självmoduleringens tillväxt.
Det senaste arbetet av detta team av forskare visar att hela protonknippen i deras plasmapartikelaccelerator självmodulerar på ett reproducerbart sätt. Detta avgörande fynd kan bana väg för ny experimentell design inom protondriven plasmavakfältsacceleration, som förlitar sig på två separata plasma.
En av dessa plasma skulle vara specifikt involverad i självmoduleringsprocessen, medan den andra i elektronacceleration. Dessa två plasma kommer att separeras av ett gapområde, där injektionen av vittneselektronen sker.
"Eftersom den andra plasman kommer att förformas, måste hela protongruppen självmoduleras," sa Verra. "Dessutom är att visa kontrollen av en instabilitet ett viktigt fristående fysikresultat, som skulle kunna utvidgas till andra specifika ämnen inom 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. + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
