AWAKE kísérlet a CERN-nél: Új távlatok a plazma wakefield gyorsításban
A CERN legújabb kísérlete, az AWAKE, forradalmi lépéseket tesz a plazma wakefield gyorsítás terén. Edda Gschwendtner, az AWAKE projekt vezetője, bemutatja ezt az innovatív megközelítést, amely a protonnyaláb segítségével generál ébredési mezőket az elektronok gyorsításához.
Az elmúlt évszázadban a hagyományos gyorsítási technológiák alapvetően változatlanok maradtak, amelyek vákuumban működő rádiófrekvenciás (RF) üregeket használnak. E módszer kulcsfontosságú paramétere a gyorsító gradiens, amely megmutatja, hogy milyen mértékben képesek a részecskék gyorsulni méterenként. A CERN-ben a hagyományos technológiák körülbelül 5 MeV/m gradienst érnek el a Nagy Hadron Ütköztetőben (LHC), míg a Kompakt Lineáris Ütköztető (CLIC) körülbelül 100 MeV/m-et tud produkálni.
A plazma wakefield gyorsítás forradalmi alternatívát kínál. A plazma, a materia negyedik állapota, ionizált gázból áll, amely már eleve lebontásra került. A plazma gyorsítási folyamata eltér a hagyományos módszerektől. Egy analógia, amely jól szemlélteti ezt a koncepciót, a tó (a plazma) és a csónak (a meghajtó nyaláb) hasonlata. Ahogy a csónak mozog a tavon, ébredési mezőket generál maga mögött. A „szörfösök” (a tanúnyaláb) ezeken a mezőkön „szörfözhetnek” és gyorsulhatnak.
Az AWAKE kísérlet
Az AWAKE kísérlet a haladó proton által hajtott plazma wakefield gyorsítást vizsgáló kísérlet, amely a bizonyíték-koncepciós tanulmányból fejlődött ki, hogy felfedezzék a gyorsítási technológia alkalmazásait a részecskefizikai kísérletekben. A CERN-ben a protonnyalábot használjuk mint „csónakot”, hogy ezeket az ébredési mezőket generáljuk, amely egyedülálló megközelítést jelent világszerte.
Protonok használata meghajtó nyalábként számos előnnyel jár az elektron- vagy lézernyalábokkal szemben, különösen a részecskefizikai alkalmazásoknál. Végső célunk, hogy az elektronokat rendkívül magas energiákra, teravolt (TeV) szintre gyorsítsuk.
A kísérlet első fázisát 2016 és 2018 között hajtották végre, és sikeresen bizonyította a koncepciót. A második fázis, az AWAKE Run 2, 2021-ben indult, és célja, hogy demonstrálja, hogy az gyorsított elektronnyalábok magas energiákat érhetnek el a minőség fenntartása mellett.
Innovatív technológiák és kísérleti felállás
A plazmaforrás a kísérlet szíve, amely az gyorsítási folyamat közegét képviseli. A létesítményünk a világ leghosszabb plazmaforrásával büszkélkedhet, amely 10 méter hosszú. A protonnyaláb a CERN Super Proton Synchrotron (SPS) forrásából származik, amely az LHC előgyorsítójaként működik.
Az elektronforrás egy katódot használ, amely lézerütés hatására elektronokat kibocsát. Ez a rendszer hasonlít a CERN lineáris ütköztető projektjének, a CLIC-nek a technológiájához, amellyel szoros együttműködésben dolgoztunk.
A plazma gyorsítása érdekében a lézerbeavatkozás szükséges a rubídium gőz plazmává ionizálásához. A három nyaláb – proton, elektron és lézer – koordinálása jelentős kihívást jelent, hiszen időbeli és térbeli összehangolásra van szükség, hogy a három nyaláb egyszerre érkezzen a plazmába.
A plazma wakefield gyorsítás kapcsán számos fontos paramétert kell bemutatni, különösen a kibocsátás minőségét, amely elengedhetetlen a ütköztető alkalmazásokhoz. A stabilitás és reprodukálhatóság szintén kulcsfontosságú tényezők. A közelmúltban a laser-driven plazma wakefield kísérletek a DESY-ben, Hamburgban, kiváló stabilitást mutattak.
Az AWAKE kísérlet nemcsak a plazma wakefield gyorsítás terén jelentős előrelépést hozott, hanem nemzetközi együttműködést is elősegített, amely 19 intézet részvételével valósul meg világszerte.
Érdekes tény: A plazma wakefield gyorsítás technológiája lehetőséget teremt a jövőbeli Higgs gyárak fejlesztésére, amelyek célja elektron-pozitron ütköztetők létrehozása, 250 GeV középponti tömeg mellett.
Források: CERN, Edda Gschwendtner interjú, tudományos publikációk az AWAKE projektről.
