De Large Hadron Collider (LHC) bij de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) bij Genève, Zwitserland zou de grootste deeltjesversneller ter wereld zijn. Het gaspedaal neemt een tunnel in beslag met een omtrek van 27 kilometer en een diepte van 175 meter onder de Frans-Zwitserse grens. De faciliteit heeft wetenschappers geholpen het Higgs-deeltje te ontdekken, het laatste deeltje voorspeld door het standaardmodel, in 2012.

Na de ontdekking van Higgs, een primair wetenschappelijk doel van hoge-energiefysici was het karakteriseren van de eigenschappen ervan en het ontdekken van andere hoge-energiefysica-fenomenen. Als resultaat, er zijn snelle ontwikkelingen geweest in hoogenergetische deeltjesversnellertechnologieën ter ondersteuning van hoogenergetisch natuurkundig onderzoek. Echter, de tot nu toe gebruikte technologieën kunnen alleen tegen hoge kosten worden verbeterd en uitgebreid. Om deze reden, het betaalbaarder maken van hoogenergetische versnellers is dringend nodig.

Een internationaal team van natuurkundigen, werken aan het Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment (AWAKE) bij CERN, meldden dat ze een baanbrekend experiment hebben uitgevoerd dat een nieuwe manier aantoont om elektronen te versnellen tot hoge energieën - een manier die de omvang van toekomstige deeltjesversnellers drastisch zou kunnen verkleinen en hun kosten zou verlagen. Een paper waarin dit belangrijke resultaat wordt beschreven, werd gepubliceerd in Natuur op 29 augustus, 2018.

AWAKE is een internationale wetenschappelijke samenwerking bestaande uit ingenieurs en wetenschappers van 18 instituten, waaronder CERN en het Max Planck Instituut voor Natuurkunde in Duitsland. Een op UNIST gebaseerde onderzoeksgroep, onder leiding van professor Moses Chung van het departement Natuurkunde maakt ook deel uit van deze AWAKE-samenwerking en heeft een aantal belangrijke bijdragen geleverd aan AWAKE. Dit omvat het ontwerp van bundellijnen en de optimalisatie van elektronenbundelinjectie.

"De technologie van AWAKE zal een paradigmaverschuiving teweegbrengen in de ontwikkeling van toekomstige hoogenergetische deeltjesversnellers, volgens LHC, ", zegt professor Chung. "De nieuwste prestatie zou ingenieurs in staat kunnen stellen om de grootte van toekomstige deeltjesversnellers drastisch te verminderen, het verminderen van de enorme hoeveelheden geld die normaal nodig zijn om ze te bouwen." Hij voegt eraan toe:"De hoogenergetische deeltjesbotsingen die deze faciliteiten produceren, stellen natuurkundigen in staat om de fundamentele natuurwetten te onderzoeken, de basis vormen voor vooruitgang op een groot aantal verschillende gebieden."

Typisch, deeltjesfysica-experimenten gebruiken oscillerende elektrische velden, radiofrequente holtes genoemd, en krachtige magneten om deeltjes te versnellen tot hoge energieën. Maar deze experimenten moeten behoorlijk groot worden - ze moeten, om deeltjes te versnellen met voldoende energie om ze goed te bestuderen.

Als alternatieve kostenbesparende optie om deeltjes efficiënter te versnellen, de wakefield-versneller is gesuggereerd. Natuurkundigen sturen een straal van beide elektronen, protonen, of een laser door een plasma. Vrije elektronen in het plasma bewegen naar de bundel, maar overdrijf het, kom dan terug crashen, het creëren van een bellenstructuur achter de straal en intense elektrische velden. Als u deeltjes injecteert, zoals meer elektronen, in het kielzog, het kan de geïnjecteerde deeltjes in een kortere tijd versnellen met een elektrisch veld dat 10 of meer keer sterker is.

In de studie, proton-aangedreven plasma wakefield-versnelling is voor het eerst aangetoond. De sterke elektrische velden, gegenereerd door een reeks protonmicrobundels, werden bemonsterd met een bundel elektronen. Deze elektronen werden versneld tot 2 GeV in ongeveer 10 m plasma en gemeten met een magnetische spectrometer. Deze techniek heeft het potentieel om elektronen in een enkele versnellingsfase te versnellen naar de TeV-schaal.

Hoewel nog in de beginfase van zijn programma, de AWAKE-samenwerking heeft een belangrijke stap gezet op weg naar het realiseren van nieuwe hoge-energie-deeltjesfysica-experimenten.