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    Os pesquisadores alcançam a primeira aceleração de elétrons em uma onda de plasma conduzida por prótons
    p Linha de feixe de elétrons de AWAKE. Crédito:Maximilien Brice / Julien Ordan / CERN

    p No início da manhã de sábado, 26 de maio de 2018, a colaboração do AWAKE no CERN acelerou com sucesso os elétrons pela primeira vez usando um wakefield gerado por prótons passando por um plasma. Um artigo descrevendo este importante resultado foi publicado na revista. Natureza hoje. Os elétrons foram acelerados por um fator de cerca de 100 ao longo de um comprimento de 10 metros:eles foram injetados externamente no AWAKE com uma energia de cerca de 19 MeV (milhões de eletronvolts) e atingiram uma energia de quase 2 GeV (bilhões de eletronvolts). Embora ainda esteja em um estágio muito inicial de desenvolvimento, o uso de wakefields de plasma pode reduzir drasticamente os tamanhos, e, portanto, os custos, dos aceleradores necessários para atingir as colisões de alta energia que os físicos usam para sondar as leis fundamentais da natureza. A primeira demonstração de aceleração de elétrons no AWAKE ocorre apenas cinco anos depois que o CERN aprovou o projeto em 2013 e é um primeiro passo importante para concretizar essa visão. p DESPERTO, que significa "Experiência WAKEfield Avançada", é uma prova de princípio de projeto de P&D que investiga o uso de prótons para conduzir os campos de vigília de plasma para acelerar elétrons a energias mais altas do que pode ser alcançado usando tecnologias convencionais. Os aceleradores tradicionais usam o que é conhecido como cavidades de radiofrequência (RF) para chutar os feixes de partículas para energias mais altas. Isso envolve a alternância da polaridade elétrica de zonas carregadas positiva e negativamente dentro da cavidade de RF, com a combinação de atração e repulsão acelerando as partículas dentro da cavidade. Por contraste, em aceleradores wakefield, as partículas são aceleradas "surfando" no topo da onda de plasma (ou wakefield) que contém zonas semelhantes de cargas positivas e negativas.

    p Os próprios campos de plasma não são ideias novas; eles foram propostos pela primeira vez no final dos anos 1970. “Os aceleradores Wakefield têm dois feixes diferentes:o feixe de partículas que é o alvo da aceleração é conhecido como 'feixe testemunha', enquanto o feixe que gera o próprio wakefield é conhecido como 'feixe de transmissão', "explica Allen Caldwell, porta-voz da colaboração AWAKE. Exemplos anteriores de aceleração de wakefield dependiam do uso de elétrons ou lasers para o feixe de transmissão. AWAKE é o primeiro experimento a usar prótons para o feixe de transmissão, e o CERN oferece a oportunidade perfeita para experimentar o conceito. Os feixes de transmissão de prótons penetram mais profundamente no plasma do que os feixes de elétrons e lasers. "Portanto, "Caldwell acrescenta, "aceleradores de wakefield que dependem de prótons para seus feixes de transmissão podem acelerar seus feixes de testemunha para uma distância maior, consequentemente, permitindo que eles atinjam energias mais elevadas. "

    Líder de projeto do CERN para AWAKE, Edda Gschwendtner, explica como o experimento acelerou os elétrons pela primeira vez. Crédito:CERN
    p AWAKE obtém seus prótons de unidade do Síncrotron Super Proton (SPS), que é o último acelerador da cadeia que entrega prótons ao Large Hadron Collider (LHC). Prótons do SPS, viajando com uma energia de 400 GeV, são injetados em uma chamada "célula de plasma" de AWAKE, que contém Rubídio gasoso uniformemente aquecido a cerca de 200 ºC. Esses prótons são acompanhados por um pulso de laser que transforma o gás rubídio em um plasma - um estado especial de gás ionizado - ejetando elétrons dos átomos do gás. À medida que este feixe de luz de prótons carregados positivamente viaja através do plasma, faz com que os elétrons carregados negativamente, de outra forma aleatoriamente distribuídos dentro do plasma, oscilem em um padrão de onda, muito parecido com um navio que se move na água gera oscilações em seu rastro. Elétrons testemunhas são então injetados em um ângulo neste plasma oscilante com energias relativamente baixas e "cavalgam" a onda de plasma para serem acelerados. Na outra extremidade do plasma, um ímã dipolo dobra os elétrons que chegam em um detector. "O campo magnético do dipolo pode ser ajustado para que apenas elétrons com uma energia específica cheguem ao detector e forneçam um sinal em um determinado local dentro dele, "diz Matthew Wing, porta-voz adjunto do AWAKE, quem também é responsável por este aparelho, conhecido como espectrômetro de elétrons. "Foi assim que pudemos determinar que os elétrons acelerados atingiam uma energia de até 2 GeV."

    p A força com que um acelerador pode acelerar um feixe de partículas por unidade de comprimento é conhecida como gradiente de aceleração e é medida em volts por metro (V / m). Quanto maior o gradiente de aceleração, mais eficaz é a aceleração. O grande colisor elétron-pósitron (LEP), que operou no CERN entre 1989 e 2000, usaram cavidades de RF convencionais e tiveram um gradiente de aceleração nominal de 6 MV / m. "Ao acelerar os elétrons para 2 GeV em apenas 10 metros, AWAKE demonstrou que pode atingir um gradiente médio de cerca de 200 MV / m, "diz Edda Gschwendtner, coordenador técnico e líder de projeto do CERN para o AWAKE. Gschwendtner e colegas pretendem atingir um eventual gradiente de aceleração de cerca de 1000 MV / m (ou 1 GV / m).

    p AWAKE tem feito um rápido progresso desde o seu início. As obras de engenharia civil do projeto começaram em 2014, e a célula de plasma foi instalada no início de 2016 no túnel usado anteriormente por parte das instalações do CNGS no CERN. Alguns meses depois, os primeiros feixes de prótons foram injetados na célula de plasma para comissionar o aparato experimental, e um wakefield conduzido por prótons foi observado pela primeira vez no final de 2016. No final de 2017, a fonte de elétrons, linha de feixe de elétrons e espectrômetro de elétrons foram instalados nas instalações do AWAKE para completar a fase preparatória.

    p Agora que eles demonstraram a capacidade de acelerar elétrons usando um campo de vigília de plasma conduzido por prótons, a equipe do AWAKE está olhando para o futuro. "Nossas próximas etapas incluem planos para entregar elétrons acelerados para um experimento de física e estender o projeto com um programa de física completo próprio, "observa Patric Muggli, coordenador de física do AWAKE. O AWAKE continuará testando a aceleração wakefield de elétrons pelo resto de 2018, depois disso, todo o complexo de aceleradores do CERN passará por uma paralisação de dois anos para atualizações e manutenção. Gschwendtner está otimista:"Estamos ansiosos para obter mais resultados de nosso experimento para demonstrar o escopo dos campos de vigília de plasma como base para futuros aceleradores de partículas."
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