Zaterdag vroeg in de ochtend, 26 mei 2018, de AWAKE-samenwerking bij CERN heeft voor het eerst elektronen versneld met behulp van een wakefield dat wordt gegenereerd door protonen die door een plasma ritselen. Een paper waarin dit belangrijke resultaat wordt beschreven, is gepubliceerd in het tijdschrift Natuur vandaag. De elektronen werden over een lengte van 10 meter met een factor 100 versneld:ze werden extern in AWAKE geïnjecteerd met een energie van ongeveer 19 MeV (miljoen elektronvolt) en bereikten een energie van bijna 2 GeV (miljard elektronvolt). Hoewel nog in een zeer vroeg ontwikkelingsstadium, het gebruik van plasma-wakefields zou de afmetingen drastisch kunnen verkleinen, en dus de kosten, van de versnellers die nodig zijn om de energierijke botsingen te bereiken die natuurkundigen gebruiken om de fundamentele natuurwetten te onderzoeken. De eerste demonstratie van elektronenversnelling in AWAKE komt slechts vijf jaar nadat CERN het project in 2013 goedkeurde en is een belangrijke eerste stap in de richting van het realiseren van deze visie.

WAKKER, wat staat voor "Advanced WAKEfield Experiment", is een proof-of-principle R&D-project dat het gebruik van protonen onderzoekt om plasma-wakefields aan te drijven voor het versnellen van elektronen tot hogere energieën dan kan worden bereikt met conventionele technologieën. Traditionele versnellers gebruiken zogenaamde radiofrequentie (RF) holtes om de deeltjesbundels naar hogere energieën te schoppen. Dit omvat het afwisselen van de elektrische polariteit van positief en negatief geladen zones in de RF-holte, met de combinatie van aantrekking en afstoting die de deeltjes in de holte versnelt. Daarentegen, in wakefield-versnellers, de deeltjes worden versneld door te "surfen" bovenop de plasmagolf (of wakefield) die vergelijkbare zones van positieve en negatieve ladingen bevat.

Plasma-wakefields zelf zijn geen nieuwe ideeën; ze werden voor het eerst voorgesteld in de late jaren 1970. "Wakefield-versnellers hebben twee verschillende bundels:de bundel deeltjes die het doelwit is voor de versnelling staat bekend als een 'getuigenbundel', terwijl de straal die het wakefield zelf genereert bekend staat als de 'aandrijfstraal', " legt Allen Caldwell uit, woordvoerder van de AWAKE samenwerking. Eerdere voorbeelden van wakefield-versnelling vertrouwden op het gebruik van elektronen of lasers voor de aandrijfstraal. AWAKE is het eerste experiment dat protonen gebruikt voor de aandrijfstraal, en CERN biedt de perfecte gelegenheid om het concept uit te proberen. Aandrijfbundels van protonen dringen dieper het plasma binnen dan aandrijfbundels van elektronen en lasers. "Daarom, "Caldwell voegt eraan toe, "wakefield-versnellers die voor hun aandrijfbundels op protonen vertrouwen, kunnen hun getuigenbundels over een grotere afstand versnellen, waardoor ze hogere energieën kunnen bereiken."

AWAKE haalt zijn drive-protonen uit de Super Proton Synchrotron (SPS), dat is de laatste versneller in de keten die protonen levert aan de Large Hadron Collider (LHC). Protonen van de SPS, reizen met een energie van 400 GeV, worden geïnjecteerd in een zogenaamde "plasmacel" van AWAKE, dat Rubidiumgas bevat dat gelijkmatig is verwarmd tot ongeveer 200 ºC. Deze protonen gaan vergezeld van een laserpuls die het Rubidium-gas omzet in een plasma – een speciale toestand van geïoniseerd gas – door elektronen uit de gasatomen te stoten. Terwijl deze aandrijfstraal van positief geladen protonen door het plasma reist, het zorgt ervoor dat de anders willekeurig verdeelde negatief geladen elektronen in het plasma oscilleren in een golfpatroon, net zoals een schip dat door het water beweegt, in zijn kielzog trillingen genereert. Getuige-elektronen worden vervolgens onder een hoek in dit oscillerende plasma geïnjecteerd met relatief lage energieën en "berijden" de plasmagolf om versneld te worden. Aan de andere kant van het plasma, een dipoolmagneet buigt de binnenkomende elektronen op een detector. "Het magnetische veld van de dipool kan zo worden aangepast dat alleen elektronen met een specifieke energie naar de detector gaan en een signaal geven op een bepaalde locatie erin, " zegt Matthew Wing, plaatsvervangend woordvoerder van AWAKE, die ook verantwoordelijk is voor dit apparaat, bekend als de elektronenspectrometer. "Zo konden we vaststellen dat de versnelde elektronen een energie van maximaal 2 GeV bereikten."

De sterkte waarmee een versneller een deeltjesbundel per lengte-eenheid kan versnellen, staat bekend als de versnellingsgradiënt en wordt gemeten in volt per meter (V/m). Hoe groter de versnellingsgradiënt, hoe effectiever de versnelling. De grote elektronen-positron-versneller (LEP), die tussen 1989 en 2000 bij CERN opereerde, gebruikte conventionele RF-holtes en had een nominale versnellingsgradiënt van 6 MV/m. "Door elektronen te versnellen tot 2 GeV in slechts 10 meter, AWAKE heeft aangetoond dat het een gemiddelde helling van ongeveer 200 MV/m kan bereiken, " zegt Edda Gschwendtner, technisch coördinator en CERN-projectleider voor AWAKE. Gschwendtner en collega's streven naar een uiteindelijke versnellingsgradiënt van ongeveer 1000 MV/m (of 1 GV/m).

AWAKE heeft sinds de oprichting snelle vooruitgang geboekt. De civieltechnische werken voor het project begonnen in 2014, en de plasmacel werd begin 2016 geïnstalleerd in de tunnel die vroeger werd gebruikt door een deel van de CNGS-faciliteit op CERN. Een paar maanden later, de eerste aandrijfstralen van protonen werden in de plasmacel geïnjecteerd om het experimentele apparaat in gebruik te nemen, en eind 2016 werd voor het eerst een door protonen aangedreven wakefield waargenomen. de elektronenbron, elektronenbundellijn en elektronenspectrometer werden geïnstalleerd in de AWAKE-faciliteit om de voorbereidende fase te voltooien.

Nu ze het vermogen hebben aangetoond om elektronen te versnellen met behulp van een door protonen aangedreven plasma-wakefield, het AWAKE-team kijkt naar de toekomst. "Onze volgende stappen omvatten plannen voor het leveren van versnelde elektronen aan een natuurkundig experiment en het uitbreiden van het project met een volwaardig eigen natuurkundig programma, " merkt Patric Muggli op, natuurkundecoördinator voor AWAKE. AWAKE gaat de rest van 2018 door met het testen van de wakefield-versnelling van elektronen, waarna het gehele acceleratorcomplex bij CERN voor twee jaar wordt stilgelegd voor upgrades en onderhoud. Gschwendtner is optimistisch:"We kijken ernaar uit om meer resultaten van ons experiment te verkrijgen om de reikwijdte van plasma-wakefields aan te tonen als basis voor toekomstige deeltjesversnellers."