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Para otros usos, vea Awake (desambiguación) .
Célula de plasma de 10 metros de largo de AWAKE desarrollada por el Instituto Max Planck de Física
De un metro de ancho de centelleo que muestra si se han acelerado. Esencialmente, esta es una pantalla que se ilumina cada vez que una partícula cargada pasa a través de ella. [1]
Instalación de línea de luz y fuente de electrones
Vista en corte de la pistola fotoinyectora de RF que produce el grupo de electrones que se inyectará en los campos de activación de plasma.

La instalación de AWAKE ( Advanced WAKEfield Experiment ) en el CERN es un experimento de prueba de principio, que investiga la aceleración del plasma de wakefield utilizando un grupo de protones como impulsor, una primicia mundial. Su objetivo es acelerar un grupo testigo de baja energía de electrones de 15-20 M eV a varios GeV en una distancia corta (10 m) mediante la creación de un alto gradiente de aceleración de varios GV / m. Los aceleradores de partículas actualmente en uso, como el LHC del CERN , utilizan cavidades de RF estándar o superconductoras para la aceleración, pero están limitados a un gradiente de aceleración del orden de 100 MV / m.

Las máquinas de aceleradores circulares no son eficientes para transportar electrones a alta energía debido a la gran pérdida de energía en la radiación de sincrotrón . Los aceleradores lineales no tienen este problema y, por lo tanto, son más adecuados para acelerar y transportar electrones a altas energías. [2] [1]

El alto gradiente de aceleración de AWAKE permitirá la construcción de una nueva generación de aceleradores de alta energía más cortos y menos costosos , lo que representa un gran paso en la tecnología de los aceleradores de partículas, especialmente para los aceleradores de electrones lineales.

Aceleración de wakefield de plasma impulsada por racimos de protones [ editar ]

Simulación de la interacción entre los racimos de protones (puntos rojos) y el campo de despertar del plasma (ondas azules)

Un plasma consta de iones cargados positivamente y electrones libres cargados negativamente, mientras permanece macroscópicamente neutro. Si se aplica un campo eléctrico fuerte, los iones y electrones se pueden separar espacialmente. De este modo se crea un campo eléctrico local, por lo que una partícula cargada que entra en dicho plasma puede acelerarse. [3] Cuando el conductor, el grupo de protones cargado positivamente, penetra en el plasma, atrae los electrones del plasma cargados negativamente, se sobrepasan y comienzan a oscilar, creando un campo de estela. La interacción entre el campo de estela y una partícula cargada.inyectado detrás del protón se puede interpretar como el mismo que se encuentra entre un surfista y una ola. Este último transferirá su energía al surfista que así se acelerará. El wakefield consta de una fase de desaceleración y aceleración, así como una fase de enfoque y desenfoque. Por tanto, la posición de inyección del grupo de electrones en el campo de estela es crucial, ya que solo una fracción (1/4) del campo de estela está enfocada y acelerada, lo cual es necesario para la captura y la aceleración de los electrones. AWAKE es el primer experimento de wakefield de plasma que utiliza un grupo de protones como conductor. Los protones, como por ejemplo los protones que forman el CERN SPS, pueden transportar una gran cantidad de energía (~ 400 GeV). Por lo tanto, pueden producir wakefields en un plasma para distancias mucho más largas que un pulso láser o un grupo de electrones como impulsor debido al agotamiento de la energía.[4]

Un plasma puede verse como un conjunto de osciladores con una frecuencia de la frecuencia de plasma ω p 2 = 4n e e 2 / εm e , con n e la densidad de electrones del plasma , m e la masa del electrón ye la carga elemental. [5] Para excitar esos osciladores de manera resonante, el controlador debe contener un componente de Fourier cercano a la frecuencia de plasma ω p . [5] Además, la longitud del grupo impulsor debe estar cerca de la longitud de onda del plasma λ p (= 2πc / ω pcon c es la velocidad de la luz ). Para una densidad de tipo DESPIERTO (n e ≈ 1 • 10 15 cm −3 ) esto corresponde a aproximadamente λ p ≈ 1 mm. Sin embargo, la longitud de los racimos de protones disponibles actualmente excede este valor significativamente. Los beneficios de AWAKE forman la auto-modulación sembrada (SSM) del grupo de protones que viaja a través del plasma, lo que divide el grupo de protones largo en micro-grupos cortos con la longitud de la longitud de onda del plasma que pueden impulsar el campo de estela de manera resonante. [4] [5]

La instalación de AWAKE [ editar ]

El experimento AWAKE está instalado en el CERN, en la antigua instalación de CERN Neutrinos to Gran Sasso (CNGS). Este sitio fue seleccionado por su ubicación subterránea y fue diseñado específicamente para el uso de haces de protones de alta energía sin ningún problema de radiación significativo . [2]

Los racimos de protones para AWAKE se extraen del CERN SPS y se transportan a través de una línea de haz de ~ 800 metros hasta la fuente de vapor de 10 metros de largo de AWAKE. Los racimos testigos de electrones se inyectan detrás del racimo de protones. [4] Para detectar la aceleración de los electrones inyectados, se instala un imán dipolo después del vapor, doblando su trayectoria. Cuanto mayor sea la energía del electrón, menor será la curvatura de su trayectoria. Luego, una pantalla de centelleo detecta electrones acelerados. [1]

La fuente de vapor contiene rubidio (Rb) de vapor que está ionizado por un láser de Ti: zafiro. La fuente de vapor está rodeada por un baño de aceite. Al establecer la temperatura del aceite, la densidad del vapor de Rb se puede establecer y mantener uniforme a lo largo de la fuente de vapor.

AWAKE utiliza un pulso láser para ionizar el vapor de Rb. Al propagar el pulso láser colinealmente dentro del grupo de protones, el borde duro de la interacción haz / plasma siembra la auto-modulación del grupo de protones, forzando el crecimiento sobre el plasma de 10 m de largo.También permite crear una referencia de fase para el inicio del wakefield, que es necesario para inyectar el grupo testigo en la fase correcta para atrapar y acelerar. Los electrones se producen enviando el láser a un fotocátodo de pistola de RF. [6]

Línea de tiempo [ editar ]

La primera ejecución duró de 2016 a 2018. La fuente de vapor de diez metros de largo se instaló el 11 de febrero de 2016 y el primer haz de protones se envió a través de la línea de haz y la fuente de vapor vacía el 16 de junio de 2016. Los primeros datos con un grupo de protones dentro del plasma se adquirió en diciembre de 2016. [4] [1] El 26 de mayo de 2018, AWAKE aceleró un haz de electrones por primera vez. El haz se aceleró de 19 MeV a 2 GeV en una distancia de 10 m. [7]

Se planea una segunda ejecución para 2021 a 2024. El gradiente de aceleración aumentará y se espera que la emitancia se reduzca. Está previsto aumentar la energía de los electrones a 10 GeV. Después de esta fase, el objetivo es aumentar la energía a al menos 50 GeV y proporcionar haces para las primeras aplicaciones. [8]

Referencias [ editar ]

  1. ^ a b c d Raynova, I., ed. (2017). AWAKE: Más cerca de una tecnología de aceleración revolucionaria (Informe). Ginebra, Suiza.
  2. ^ a b Caldwell, A .; Gschwendtner, E .; Lotov, K .; Muggli, P .; Wing, M., eds. (2013). Informe de diseño de AWAKE: un experimento de aceleración de Wakefield de plasma impulsado por protones en el CERN (informe). Ginebra, Suiza. CERN-SPSC-2013-013; SPSC-TDR-003.
  3. ^ Joshi, C .; Mori, WB; Katsouleas, T .; Dawson, JM; Kindel, JM; Forslund, DW (1984). "Aceleración de partículas de gradiente ultra alto por ondas intensas de densidad de plasma impulsadas por láser". Naturaleza . 311 (5986): 525–529. Código bibliográfico : 1984Natur.311..525J . doi : 10.1038 / 311525a0 . ISSN 0028-0836 . 
  4. ↑ a b c d Pandolfi, S., ed. (2016). Aceleración del despertar: llega la célula plasmática de AWAKE (Informe). Ginebra, Suiza.
  5. ^ a b c Kumar, Naveen; Pukhov, Alexander; Lotov, Konstantin (2010). "Inestabilidad de automodulación de un manojo de protones largo en plasmas". Cartas de revisión física . 104 (25): 255003. arXiv : 1003.5816 . Código Bibliográfico : 2010PhRvL.104y5003K . doi : 10.1103 / PhysRevLett.104.255003 . PMID 20867389 . 
  6. ^ Muggli, P., ed. (2016). Progreso hacia un experimento en AWAKE (Informe). doi : 10.18429 / JACoW-NAPAC2016-WEPOA02 .
  7. ^ Adli, E .; et al. (Colaboración AWAKE) (2018). "Aceleración de electrones en el campo de estela de plasma de un grupo de protones". Naturaleza . 561 (7723): 363–367. arXiv : 1808.09759 . Código Bibliográfico : 2018Natur.561..363A . doi : 10.1038 / s41586-018-0485-4 . ISSN 0028-0836 . PMID 30188496 .  
  8. ^ Anthony Hartin: aplicaciones de física de partículas del esquema de aceleración AWAKE , EPS-HEP2019

Enlaces externos [ editar ]

  • Sitio web de AWAKE