AWAKE (Advanced Wakefield Experiment) wil een revolutie teweegbrengen op het gebied van deeltjesversnelling, van de tunnel waarin de nu gepensioneerde CERN Neutrinos tot Gran Sasso (CNGS)-faciliteit was gehuisvest. De 23-instituut sterke samenwerking heeft tot doel een levensvatbaar en efficiënter alternatief voor traditionele radiofrequentieversnelling te introduceren - waarbij geladen deeltjes (in dit geval elektronen) "surfen" op de golven van een plasmaveld (of "wakefield") gegenereerd door een korte, intense protonenbundel die door het plasma wordt afgevuurd.

Hoewel is aangetoond dat plasma-wakefields versnellingsgradiënten produceren die tot 1000 keer superieur zijn aan die welke worden bereikt met radiofrequentieholten, is het gebruik ervan in experimenten met hoge energie en deeltjesfysica beperkt door de onpraktische aard van de huidige technieken, die het naast elkaar plaatsen van verschillende plasma bronnen om hoge energieën te bereiken. AWAKE daarentegen is het eerste experiment om het gebruik van protonen te onderzoeken, in plaats van lasers of elektronenstralen, om het plasma aan te drijven.

Om de juiste wakefields in het plasma te creëren voor efficiënte elektronenversnelling, moet de lange protonenbundel die vanuit de CERN Super Proton Synchrotron (SPS) naar AWAKE wordt geëxtraheerd, worden opgedeeld in kleinere bundels in een proces dat bekend staat als modulatie. In een Fysieke beoordelingsbrieven paper gepubliceerd op 6 juli, toonde de samenwerking aan hoe een dergelijke modulatie van de protonenbundel kan worden gecontroleerd door het proces te zaaien met relativistische elektronen - een cruciale stap naar een werkbare op wakefield gebaseerde versneller.

Om het concept van seeding te begrijpen, is het noodzakelijk om je te verdiepen in de technologie achter AWAKE. De protonenbundel van de SPS wordt geïnjecteerd in een dampbron die rubidium bevat, die wordt omgezet in een plasma (een toestand van geïoniseerd gas) door een laserpuls die voorafgaat aan de protonenbundel. Een korte elektronenbundel kan vervolgens in het protonenzog worden geïnjecteerd om te worden versneld tot hoge energie. Om de elektronen efficiënt op de golven van het plasma te laten rijden, moet de lengte van de protonenbundel gelijk zijn aan de plasmagolflengte. Gelukkig valt de lange protonenbundel van de SPS automatisch uiteen in zulke kleine bundels wanneer ze zich door het plasma voortplanten (hij "zelfmoduleert"), waardoor AWAKE in 2018 de eerste versnelling van elektronen met deze techniek kon demonstreren.

"Om de reproduceerbaarheid van de gehele gemoduleerde protonenbundel te behouden, en daarmee het vermogen om elektronen te versnellen, hebben we een techniek bedacht om precies te bepalen wanneer de modulatie begint:we zaaien het met een eerste elektronenbundel, anders dan degene die bedoeld is voor versnelling Door deze bundel enkele honderden picoseconden te injecteren voordat de protonen het plasma binnenkomen, moduleert de voorkant van de protonenbundel synchroon, waardoor een regelmatig wakefield ontstaat waarvan de fase nauwkeurig kan worden gemeten", legt Livio Verra uit, een natuurkundige in de Lepton Accelerators and Facilities (ABP-LAF) sectie in de afdeling Beams en de eerste auteur van het papier. Injectie van de elektronenbundel op wiens versnelling het experiment is gericht, kan dan perfect worden getimed. De acceleratie wordt daardoor duurzaam en gecontroleerd, waardoor een ongeëvenaarde algehele helling ontstaat.

Edda Gschwendtner, de AWAKE-projectleider bij CERN, kijkt met optimisme naar de toekomst:"Het uiteindelijke succes van de door AWAKE ontwikkelde wakefield-technologie berust op de haalbaarheid van het zaaien van de zelfmodulatie van de protonenbundel. Met deze mijlpaal die nu is bereikt, is de samenwerking klaar om onze volgende uitdagingen aan te gaan, te beginnen met de ingebruikname van een nieuwe plasmabron."

Deze bron, die wordt ontwikkeld door het Max Planck Instituut in München, Duitsland, zal een plasma genereren met twee regio's van verschillende dichtheid (en dus van verschillende temperatuur), wat de algehele versnellingsgradiënt verder zal vergroten ten opzichte van het bereikte niveau. dusver. De introductie van een nieuwe plasmabron is slechts één aspect van het rijke studieprogramma dat moet worden uitgevoerd tijdens de tweede natuurkundige run van AWAKE.

Tijdens de Long Shutdown 3 van CERN zullen de laatst overgebleven onderdelen van de CNGS-faciliteit worden ontmanteld. AWAKE is van plan deze kans optimaal te benutten en de vrijgekomen ruimte te gebruiken voor de volgende fasen van het experiment. Deze fasen zullen gericht zijn op het versnellen van elektronen tot hoge energie met behoud van de bundelkwaliteit, een voorwaarde voor toekomstige toepassingen in de deeltjesfysica.

Tegelijkertijd zal de samenwerking doorgaan met het ontwikkelen van schaalbare plasmabrontechnologieën, zoals ontladings- en heliconplasmacellen, die essentieel zijn voor het vergroten van het uiteindelijke energiebereik. Zodra deze technologieën zijn gevalideerd en gecontroleerde elektronenversnelling is aangetoond, zal dit de deur openen naar toekomstige toepassingen met hoge energie, zoals experimenten met vaste doelen op zoek naar donkere materie. + Verder verkennen

'Awake'-concept brengt protonenbundels synchroon