Do túnel que abrigou o agora aposentado CERN Neutrinos até a instalação Gran Sasso (CNGS), o AWAKE (Advanced Wakefield Experiment) está procurando revolucionar o campo da aceleração de partículas. A forte colaboração de 23 institutos visa introduzir uma alternativa viável e mais eficiente à aceleração de radiofrequência tradicional - com partículas carregadas (neste caso, elétrons) "surfando" nas ondas de um campo de plasma (ou "wakefield") gerado por um curto e intenso feixe de prótons disparado através do plasma.
Embora os campos de vigília de plasma tenham demonstrado produzir gradientes de aceleração até 1000 vezes superiores aos obtidos com cavidades de radiofrequência, seu uso em experimentos de alta energia e física de partículas tem sido limitado pela natureza impraticável das técnicas atuais, que exigem a justaposição de vários plasmas. fontes para atingir altas energias. AWAKE, por outro lado, é o primeiro experimento a investigar o uso de prótons, em vez de lasers ou feixes de elétrons, para conduzir o plasma.

Para criar os campos de vigília apropriados no plasma para a aceleração eficiente de elétrons, o longo feixe de prótons extraído em direção ao AWAKE do CERN Super Proton Synchrotron (SPS) precisa ser dividido em grupos menores em um processo conhecido como modulação. Em uma Cartas de Revisão Física Em um artigo publicado em 6 de julho, a colaboração mostrou como tal modulação do feixe de prótons pode ser controlada semeando o processo com elétrons relativísticos – um passo crucial para um acelerador baseado em wakefield viável.

Para entender o conceito de semeadura, é necessário mergulhar na tecnologia por trás do AWAKE. O feixe de prótons do SPS é injetado em uma fonte de vapor contendo rubídio, que é transformado em plasma (estado de gás ionizado) por um pulso de laser que antecede o feixe de prótons. Um pequeno grupo de elétrons pode então ser injetado na esteira de prótons para ser acelerado a alta energia. Para que os elétrons naveguem pelas ondas do plasma com eficiência, o comprimento do feixe de prótons precisa ser igual ao comprimento de onda do plasma. Felizmente, o longo feixe de prótons do SPS se divide automaticamente em pequenos cachos ao se propagar pelo plasma (ele se "automodula"), o que permitiu ao AWAKE demonstrar a primeira aceleração de elétrons usando essa técnica em 2018.

"Para preservar a reprodutibilidade de todo o feixe de prótons modulado e, portanto, sua capacidade de acelerar elétrons, desenvolvemos uma técnica para controlar exatamente quando a modulação começa:nós a semeamos com um feixe de elétrons inicial, diferente daquele que é direcionado para aceleração Ao injetar esse grupo várias centenas de picossegundos antes que os prótons entrem no plasma, a frente do feixe de prótons modula em sincronia, criando um campo de vigília regular cuja fase pode ser medida com precisão", explica Livio Verra, físico do Lepton Accelerators and Facilities (ABP-LAF) no departamento de Vigas e o primeiro autor do artigo. A injeção do feixe de elétrons cuja aceleração o experimento visa pode ser cronometrada perfeitamente. A aceleração, portanto, torna-se sustentável e controlada, produzindo um gradiente geral sem paralelo.

Edda Gschwendtner, líder do projeto AWAKE no CERN, olha para o futuro com otimismo:"O sucesso final da tecnologia wakefield desenvolvida pela AWAKE repousa na viabilidade de semear a automodulação do feixe de prótons. Com este marco agora alcançado, a colaboração é prontos para enfrentar nossos próximos desafios, começando com o comissionamento de uma nova fonte de plasma."

Esta fonte, que está sendo desenvolvida pelo Instituto Max Planck em Munique, Alemanha, vai gerar um plasma com duas regiões de densidade diferente (e, portanto, de temperatura diferente), o que aumentará ainda mais o gradiente de aceleração global em relação ao alcançado até aqui. A introdução de uma nova fonte de plasma é apenas um aspecto do rico programa de estudos a ser realizado durante a segunda corrida de física do AWAKE.

O Long Shutdown 3 do CERN verá o desmantelamento dos últimos componentes restantes da instalação de CNGS. A AWAKE planeja aproveitar ao máximo essa oportunidade, utilizando o espaço liberado para as próximas fases do experimento. Essas fases se concentrarão na aceleração de elétrons para alta energia, preservando a qualidade do feixe, um pré-requisito para futuras aplicações em física de partículas.

Paralelamente, a colaboração continuará a desenvolver tecnologias de fonte de plasma escaláveis, como células de plasma de descarga e helicon, que são fundamentais para aumentar o alcance final da energia. Uma vez que essas tecnologias tenham sido validadas e a aceleração controlada de elétrons tenha sido demonstrada, abrirá as portas para futuras aplicações de alta energia, como experimentos de alvo fixo em busca de matéria escura. + Explorar mais

O conceito 'Awake' traz os grupos de prótons em sincronia