Het Advanced WAKEfield Experiment (AWAKE) is een groot experiment uitgevoerd bij CERN dat plasma wakefield-versnelling onderzoekt. Het is de eerste onderzoeksinspanning op dit gebied om een ​​relativistische protonenbundel te gebruiken als aanjager van plasma-wakefields om getuige-elektronen te versnellen tot hoge energieën.

Het gebruik van een protonenbundel heeft tal van voordelen voor experimenten met plasmaversnelling. Het meest opvallende is dat onderzoekers hierdoor een grote versnellingsgradiënt over lange afstanden kunnen handhaven, zonder het gaspedaal in verschillende secties te hoeven splitsen.

De AWAKE-samenwerking, de groep onderzoekers die betrokken is bij het AWAKE-experiment, omvat meer dan 100 ingenieurs en natuurkundigen van 23 verschillende instituten wereldwijd. In een recent artikel gepubliceerd in Physical Review Letters , laat dit grote team van wetenschappers zien dat de zelfmodulatie van een protonenbundel kan worden gecontroleerd door de instabiliteit te zaaien.

"Beschikbare protonenbundels zijn veel langer dan de typische plasmagolflengte", vertelde Livio Verra, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. "Om wakefields met grote amplitude aan te sturen, vertrouwen we op de zelfmodulatie-instabiliteit van de tros in plasma. Dit proces transformeert de lange tros in een trein van micro-trossen, op afstand van elkaar door de periode van de wakefields, die wakefields met grote amplitude aandrijven."

Om ervoor te zorgen dat het zelfmodulatieproces van de protonenbundel reproduceerbaar is en met een hoge mate van precisie kan worden gecontroleerd, moet de instabiliteit van de bundel worden "gezaaid". In hun eerdere studies bereikten de onderzoekers dit door het plasma in de protonenbundel aan te zetten met een laserpuls.

Ondanks hun veelbelovende resultaten, ontdekten ze dat deze methode de significante beperking had om slechts een fractie van de protonenbundel te moduleren.

"In ons nieuwe artikel laten we zien dat de zelfmodulatie kan worden gezaaid met behulp van de wakefields die worden aangestuurd door een voorgaande elektronenbundel", legt Verra uit. "In dit geval moduleert de hele protonenbundel zichzelf op een gecontroleerde en reproduceerbare manier, dat is een belangrijke mijlpaal voor de toekomst van het experiment."

In de context van door protonen aangedreven plasma-wakefield-versnellers is het zelfmodulatieproces in wezen een instabiliteit, waarbij de amplitude van de wakefields in plasma langs de protonenbundel en langs het plasma groeit. De groei van deze zelfmodulatie wordt bepaald door twee belangrijke parameters, namelijk de amplitude van de zaad-wakefields, die de startwaarde van de velden definieert, en de groeisnelheid, die bepaalt hoe snel de instabiliteit groeit.

"Door de zelfmodulatie met de voorgaande elektronenbundel te zaaien, ontwarren we deze twee parameters, waarmee andere seeding-methoden altijd gecorreleerd zijn," zei Verra. "Dit betekent dat de parameters van de zaadelektronenbundel de amplitude van de kiemvelden bepalen en de parameters van de protonenbundel de groeisnelheid van de instabiliteit."

Met behulp van de benadering die in hun paper wordt gepresenteerd, waren Verra en zijn collega's in staat om onafhankelijk de groei van de zelfmodulatie van een protonenbundel in CERN's plasmadeeltjesversneller te regelen met behulp van twee verschillende "knoppen". Dit zijn in wezen de twee belangrijkste parameters die de groei van de zelfmodulatie bepalen.

Het recente werk van dit team van onderzoekers laat zien dat de hele protonenbundel in hun plasmadeeltjesversneller zichzelf op een reproduceerbare manier moduleert. Deze cruciale bevinding zou de weg kunnen banen voor een nieuw experimenteel ontwerp in door protonen aangedreven plasma-wakefield-versnelling, die afhankelijk is van twee afzonderlijke plasma's.

Een van deze plasma's zou specifiek betrokken zijn bij het zelfmodulatieproces, terwijl de andere bij elektronenversnelling. Deze twee plasma's zullen worden gescheiden door een spleetgebied, waar de injectie van de getuige-elektronenbundel plaatsvindt.

"Omdat het tweede plasma voorgevormd zal zijn, moet de hele protonenbundel zelf-gemoduleerd zijn," zei Verra. "Bovendien is het aantonen van de beheersing van een instabiliteit een belangrijk op zichzelf staand natuurkundig resultaat, dat zou kunnen worden uitgebreid naar andere specifieke onderwerpen in de plasmafysica."

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. + Verder verkennen

AWAKE sows seeds of controlled particle acceleration using plasma wakefields

© 2022 Science X Network