O Advanced WAKEfield Experiment (AWAKE) é um grande experimento realizado no CERN que investiga a aceleração do campo de vigília do plasma. É o primeiro esforço de pesquisa neste campo a usar um grupo de prótons relativístico como condutor de campos de vigília de plasma para acelerar elétrons testemunhas para altas energias.
O uso de um feixe de prótons tem inúmeras vantagens para experimentos de aceleração de plasma. Mais notavelmente, permite que os pesquisadores mantenham um grande gradiente de aceleração em longas distâncias, sem ter que dividir o acelerador em várias seções diferentes.

A colaboração AWAKE, o grupo de pesquisadores envolvidos no experimento AWAKE, inclui mais de 100 engenheiros e físicos de 23 institutos diferentes em todo o mundo. Em um artigo recente publicado em Physical Review Letters , esta grande equipe de cientistas mostra que a auto-modulação de um grupo de prótons pode ser controlada semeando a instabilidade.

“Os cachos de prótons disponíveis são muito maiores do que o comprimento de onda típico do plasma”, disse Livio Verra, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "Para conduzir campos de vigília de grande amplitude, contamos com a instabilidade de automodulação do grupo no plasma. Este processo transforma o grupo longo em um trem de micro-cachos, espaçados pelo período dos campos de vigília, que conduzem campos de vigília de grande amplitude."

Para garantir que o processo de automodulação do feixe de prótons seja reprodutível e possa ser controlado com altos níveis de precisão, a instabilidade do feixe precisa ser "semeada". Em seus estudos anteriores, os pesquisadores conseguiram isso ligando o plasma dentro do grupo de prótons usando um pulso de laser.

Apesar de seus resultados promissores, eles descobriram que esse método tinha a limitação significativa de modular apenas uma fração do feixe de prótons.

"Em nosso novo artigo, mostramos que a automodulação pode ser semeada usando os campos de vigília acionados por um grupo de elétrons anterior", explicou Verra. "Neste caso, todo o grupo de prótons se automodula de forma controlada e reproduzível, o que é um marco importante para o futuro do experimento."

No contexto de aceleradores de campo de vigília de plasma acionados por prótons, o processo de automodulação é essencialmente uma instabilidade, onde a amplitude dos campos de vigília no plasma cresce ao longo do feixe de prótons e ao longo do plasma. O crescimento desta automodulação é determinado por dois parâmetros chave, nomeadamente a amplitude dos campos de vigília da semente, que define o valor inicial dos campos, e a taxa de crescimento, que define a rapidez com que a instabilidade cresce.

"Ao semear a automodulação com o grupo de elétrons anterior, separamos esses dois parâmetros, com os quais outros métodos de semeadura estão sempre correlacionados", disse Verra. "Isso significa que os parâmetros do grupo de elétrons da semente definem a amplitude dos campos de vigília da semente e os parâmetros do grupo de prótons definem a taxa de crescimento da instabilidade."

Usando a abordagem apresentada em seu artigo, Verra e seus colegas foram capazes de controlar independentemente o crescimento da automodulação de um feixe de prótons no acelerador de partículas de plasma do CERN usando dois "botões" distintos. Estes são essencialmente os dois parâmetros chave que definem o crescimento da automodulação.

O trabalho recente dessa equipe de pesquisadores mostra que todo o grupo de prótons em seu acelerador de partículas de plasma se automodula de maneira reprodutível. Essa descoberta crucial pode abrir caminho para um novo projeto experimental na aceleração do campo de esteira de plasma acionado por prótons, que depende de dois plasmas separados.

Um desses plasmas estaria especificamente envolvido no processo de automodulação, enquanto o outro na aceleração de elétrons. Esses dois plasmas serão separados por uma região de gap, onde ocorre a injeção do feixe de elétrons testemunha.

"Como o segundo plasma será pré-formado, todo o grupo de prótons precisa ser automodulado", disse Verra. "Além disso, mostrar o controle de uma instabilidade é um importante resultado de física independente, que pode ser estendido a outros assuntos específicos da física de plasma."

Desde o início de 2022, a colaboração AWAKE vem realizando vários estudos com foco na semeadura da instabilidade de automodulação no plasma usando um feixe de elétrons. 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. + Explorar mais

AWAKE sows seeds of controlled particle acceleration using plasma wakefields

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