Figuren visar summan av tio på varandra följande tidsupplösta bilder av det självmodulerade protongänget. Gängen färdas från vänster till höger. Tidpunkten för moduleringen bestäms av den föregående elektrongruppen och den är reproducerbar från händelse till händelse. Kredit:CERN
Från tunneln som var värd för den nu pensionerade CERN Neutrinos till Gran Sasso (CNGS)-anläggningen, vill AWAKE (Advanced Wakefield Experiment) revolutionera området för partikelacceleration. Samarbetet med 23 institut syftar till att introducera ett hållbart och mer effektivt alternativ till traditionell radiofrekvensacceleration – med laddade partiklar (i det här fallet elektroner) som "surfar" på vågorna i ett plasmafält (eller "vakafält") som genereras av en ett kort, intensivt protongäng som avfyras genom plasman.
Medan plasmavakfält har visat sig producera accelerationsgradienter som är upp till 1000 gånger överlägsna de som uppnås med radiofrekvenskaviteter, har deras användning i högenergi- och partikelfysikexperiment begränsats av den opraktiska naturen hos nuvarande tekniker, som kräver att flera plasma placeras vid sidan av varandra. källor för att uppnå höga energier. AWAKE, å andra sidan, är det första experimentet för att undersöka användningen av protoner, snarare än lasrar eller elektronstrålar, för att driva plasman.
För att skapa lämpliga wakefields i plasman för effektiv elektronacceleration måste den långa protonstrålen som extraheras mot AWAKE från CERN Super Proton Synchrotron (SPS) delas upp i mindre grupper i en process som kallas modulering. I ett Physical Review Letters artikel som publicerades den 6 juli visade samarbetet hur en sådan modulering av protonstrålen kan kontrolleras genom att så processen med relativistiska elektroner – ett avgörande steg mot en fungerande wakefield-baserad accelerator.
För att förstå konceptet med sådd är det nödvändigt att fördjupa sig i tekniken bakom AWAKE. Protonstrålen från SPS injiceras i en ångkälla som innehåller rubidium, som omvandlas till ett plasma (ett tillstånd av joniserad gas) av en laserpuls som föregår protongruppen. Ett kort elektronknippe kan sedan injiceras i protonvaken för att accelereras till hög energi. För att elektronerna ska kunna rida på plasmans vågor effektivt måste längden på protonbunten vara lika med plasmavåglängden. Lyckligtvis bryts den långa protonstrålen från SPS automatiskt upp i så små grupper när den fortplantar sig genom plasmat (den "självmodulerar"), vilket var det som gjorde att AWAKE kunde demonstrera den första accelerationen av elektroner med denna teknik 2018.
"För att bevara reproducerbarheten för hela den modulerade protonstrålen, och därmed dess förmåga att accelerera elektroner, tog vi fram en teknik för att kontrollera exakt när moduleringen börjar:vi sådd den med ett initialt elektronknippe, som skiljer sig från det som är målet för acceleration . Genom att injicera det här gänget flera hundra pikosekunder innan protonerna kommer in i plasman, moduleras framsidan av protonstrålen synkroniserat, vilket skapar ett regelbundet wakefield vars fas kan mätas exakt", förklarar Livio Verra, fysiker i Lepton Accelerators and Facilities (ABP-LAF) sektionen på Beams-avdelningen och uppsatsens första författare. Injektion av elektrongruppen vars acceleration experimentet är inriktat på kan sedan tidsinställas perfekt. Accelerationen blir därför hållbar och kontrollerad, vilket ger en oöverträffad övergripande gradient.
Edda Gschwendtner, AWAKE-projektledaren på CERN, ser med optimism på framtiden:"Den ultimata framgången för wakefield-teknologin som utvecklats av AWAKE vilar på möjligheten att sådd protongruppens självmodulering. Med denna milstolpe nu uppnådd är samarbetet redo att ta itu med våra nästa utmaningar, som börjar med driftsättningen av en ny plasmakälla."
Denna källa, som utvecklas av Max Planck Institute i München, Tyskland, kommer att generera ett plasma med två regioner med olika densitet (och därför med olika temperatur), vilket ytterligare kommer att öka den totala accelerationsgradienten i förhållande till den uppnådda än så länge. Introduktionen av en ny plasmakälla är bara en aspekt av det omfattande studieprogrammet som ska utföras under AWAKEs andra fysikkörning.
CERNs Long Shutdown 3 kommer att innebära att de sista återstående komponenterna i CNGS-anläggningen demonteras. AWAKE planerar att göra det bästa av denna möjlighet genom att använda det frigjorda utrymmet för nästa faser av experimentet. Dessa faser kommer att fokusera på att accelerera elektroner till hög energi samtidigt som strålkvaliteten bevaras, en förutsättning för framtida tillämpningar inom partikelfysik.
Parallellt kommer samarbetet att fortsätta att utveckla skalbara plasmakällteknologier, såsom urladdnings- och helikonplasmaceller, som är nyckeln till att öka den slutliga energiräckvidden. När dessa teknologier väl har validerats och kontrollerad elektronacceleration har demonstrerats, kommer det att öppna dörren för framtida högenergiapplikationer, såsom experiment med fasta mål som söker efter mörk materia. + Utforska vidare
