De toekomst van deeltjesversnelling is begonnen. Awake is een veelbelovend concept voor een geheel nieuwe methode waarmee deeltjes ook over korte afstanden kunnen worden versneld. De basis hiervoor is een plasmagolf die elektronen versnelt en zo naar hoge energieën brengt. Een team onder leiding van het Max Planck Institute for Physics meldt nu een doorbraak in dit verband. Voor de eerste keer, ze waren in staat om de productie van de protonmicrobundels die de golf in het plasma aandrijven precies te timen. Dit vervult een belangrijke voorwaarde voor het gebruik van de Awake-technologie voor botsingsexperimenten.

Hoe creëer je een golf voor elektronen? De dragerstof hiervoor is een plasma (d.w.z. een geïoniseerd gas waarin positieve en negatieve ladingen worden gescheiden). Door een protonenbundel door het plasma te sturen, ontstaat een golf waarop elektronen voortbewegen en worden versneld tot hoge energieën.

De protonenbron van Awake is de SPS-ring in Cern, een pre-accelerator voor de 27 kilometer lange omtrekring van de Large Hadron Collider (LHC). Het produceert protonenbundels van ongeveer 10 cm lang. "Echter, om een ​​plasmagolf met grote amplitude te genereren, de lengte van de protonenbundel moet veel korter zijn - in het millimeterbereik, " legt Fabian Batsch uit, doctoraat student aan het Max Planck Instituut voor Natuurkunde.

De wetenschappers profiteren van zelf-modulatie, een "natuurlijke" interactie tussen de bos en plasma. "In het proces, de langere protonenbundel wordt gesplitst in hoogenergetische protonenmicrobundels van slechts enkele millimeters lang, het bouwen van de treinbalk, ", zegt Batsch. "Dit proces vormt een plasmagolf, die zich voortplant met de trein die door het plasmaveld rijdt."

Nauwkeurige timing maakt een ideale elektronenversnelling mogelijk

Echter, er is een stabiel en reproduceerbaar veld nodig om elektronen te versnellen en tot botsing te brengen. Dit is precies waar het team nu een oplossing voor heeft gevonden. "Als er een voldoende groot elektrisch veld wordt aangelegd wanneer de lange protonenbundel wordt geïnjecteerd en de zelfmodulatie dus onmiddellijk in gang wordt gezet."

"Omdat het plasma meteen wordt gevormd, we kunnen de fase van de korte protonmicrobundels precies timen, " zegt Patric Muggli, hoofd van de Awake-werkgroep van het Max Planck Instituut voor Natuurkunde. "Hierdoor kunnen we het tempo voor de trein bepalen. de elektronen worden op het ideale moment opgevangen en versneld door de golf."

Eerste onderzoeksprojecten in zicht

De Awake-technologie bevindt zich nog in de beginfase van ontwikkeling. Echter, bij elke stap naar succes, de kans dat deze versnellertechnologie de komende decennia ook daadwerkelijk wordt toegepast, neemt toe. De eerste voorstellen voor kleinere acceleratorprojecten (bijv. om bijvoorbeeld de fijne structuur van protonen te bestuderen) moeten al in 2024 worden gemaakt.

Volgens Muggli, de voordelen van de nieuwe versnellertechnologie - plasma wakefield-acceleratie - zijn duidelijk:"Met deze technologie, we kunnen de afstand die nodig is om elektronen te versnellen tot piekenergie met een factor 20 verkleinen. De versnellers van de toekomst kunnen daarom veel kleiner zijn. Dit betekent:minder ruimte, minder moeite, en dus lagere kosten."