O Grande Colisor de Hádrons (LHC) na Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN) perto de Genebra, A Suíça é considerada o maior acelerador de partículas do mundo. O acelerador ocupa um túnel de 27 quilômetros de circunferência e 175 metros abaixo da fronteira franco-suíça. A instalação ajudou os cientistas a descobrir o bóson de Higgs, a última partícula prevista pelo Modelo Padrão, em 2012.

Após a descoberta de Higgs, um objetivo científico primário dos físicos de alta energia tem sido caracterizar suas propriedades e descobrir outros fenômenos da física de alta energia. Como resultado, tem havido um rápido desenvolvimento em tecnologias de aceleradores de partículas de alta energia para apoiar a pesquisa em física de alta energia. Contudo, as tecnologias usadas até hoje só podem ser aprimoradas e expandidas com grandes despesas. Por esta razão, tornar os aceleradores de alta energia mais acessíveis é urgentemente necessário.

Uma equipe internacional de físicos, trabalhando no experimento avançado de aceleração de Wakefield com plasma conduzido por prótons (AWAKE) no CERN, relataram que realizaram um experimento inovador demonstrando uma nova maneira de acelerar elétrons a altas energias - uma que poderia reduzir drasticamente o tamanho de futuros aceleradores de partículas e reduzir seus custos. Um artigo descrevendo este importante resultado foi publicado em Natureza em 29 de agosto, 2018.

AWAKE é uma colaboração científica internacional composta por engenheiros e cientistas de 18 institutos, incluindo o CERN e o Instituto Max Planck de Física na Alemanha. Um grupo de pesquisa baseado na UNIST, liderado pelo Professor Moses Chung no Departamento de Física também faz parte desta colaboração do AWAKE e fez uma série de contribuições importantes para o AWAKE. Isso inclui o projeto de linhas de luz e a otimização da injeção de feixe de elétrons.

"A tecnologia do AWAKE trará uma mudança de paradigma no desenvolvimento de futuros aceleradores de partículas de alta energia, seguindo LHC, "diz o professor Chung." A mais recente conquista pode permitir aos engenheiros reduzir drasticamente o tamanho dos futuros aceleradores de partículas, reduzindo as grandes quantias de dinheiro normalmente necessárias para construí-los. "Ele acrescenta:"As colisões de partículas de alta energia que essas instalações produzem permitem aos físicos sondar as leis fundamentais da natureza, fornecendo a base para avanços em uma grande variedade de campos diferentes. "

Tipicamente, experimentos de física de partículas usam campos elétricos oscilantes, chamadas cavidades de radiofrequência, e ímãs de alta potência para acelerar as partículas a altas energias. Mas esses experimentos devem crescer bastante - eles têm que ser, a fim de acelerar as partículas com energia suficiente para estudá-las adequadamente.

Como uma opção alternativa de corte de custos para acelerar as partículas de forma mais eficiente, o acelerador de wakefield foi sugerido. Os físicos enviam um feixe de qualquer um dos elétrons, prótons, ou um laser através de um plasma. Os elétrons livres no plasma se movem em direção ao feixe, mas supere isso, então volte, criando uma estrutura de bolha atrás do feixe e campos elétricos intensos. Se você injetar partículas, como mais elétrons, na esteira, pode acelerar as partículas injetadas em menos tempo com um campo elétrico 10 ou mais vezes mais forte.

No estudo, a aceleração de wakefield de plasma conduzida por prótons foi demonstrada pela primeira vez. Os fortes campos elétricos, gerado por uma série de microbunches de prótons, foram amostrados com um monte de elétrons. Esses elétrons foram acelerados até 2 GeV em aproximadamente 10 m de plasma e medidos usando um espectrômetro magnético. Essa técnica tem o potencial de acelerar elétrons até a escala TeV em um único estágio de aceleração.

Embora ainda esteja nos estágios iniciais de seu programa, a colaboração do AWAKE deu um passo importante no caminho para a realização de novos experimentos de física de partículas de alta energia.