AWAKE sät die Saat einer kontrollierten Teilchenbeschleunigung mithilfe von Plasma-Wakefields

Von dem Tunnel, in dem die inzwischen stillgelegten CERN-Neutrinos untergebracht waren, bis zur Einrichtung Gran Sasso (CNGS) will AWAKE (Advanced Wakefield Experiment) das Gebiet der Teilchenbeschleunigung revolutionieren. Die aus 23 Instituten bestehende Zusammenarbeit zielt darauf ab, eine praktikable und effizientere Alternative zur herkömmlichen Hochfrequenzbeschleunigung einzuführen – mit geladenen Teilchen (in diesem Fall Elektronen), die auf den Wellen eines Plasmafelds (oder „Wachfelds“) „surfen“, das von einem erzeugt wird kurzes, intensives Protonenbündel durch das Plasma geschossen.

Während gezeigt wurde, dass Plasma-Wakefields Beschleunigungsgradienten erzeugen, die bis zu 1000-mal besser sind als die, die mit Hochfrequenzkavitäten erreicht werden, wurde ihre Verwendung in Hochenergie- und Teilchenphysik-Experimenten durch die unpraktische Natur der derzeitigen Techniken begrenzt, die das Nebeneinanderstellen mehrerer Plasmas erfordern Quellen, um hohe Energien zu erreichen. AWAKE hingegen ist das erste Experiment, das die Verwendung von Protonen anstelle von Lasern oder Elektronenstrahlen zum Antreiben des Plasmas untersucht.

Um die geeigneten Wakefields im Plasma für eine effiziente Elektronenbeschleunigung zu erzeugen, muss der lange Protonenstrahl, der vom CERN Super Proton Synchrotron (SPS) in Richtung AWAKE extrahiert wird, in einem als Modulation bekannten Prozess in kleinere Bündel zerlegt werden. In einem Briefe zur körperlichen Überprüfung In einem am 6. Juli veröffentlichten Artikel zeigte die Zusammenarbeit, wie eine solche Modulation des Protonenstrahls gesteuert werden kann, indem der Prozess mit relativistischen Elektronen geimpft wird – ein entscheidender Schritt in Richtung eines funktionsfähigen Wakefield-basierten Beschleunigers.

Um das Konzept des Seedings zu verstehen, ist es notwendig, sich mit der Technologie hinter AWAKE zu befassen. Der Protonenstrahl aus dem SPS wird in eine Dampfquelle injiziert, die Rubidium enthält, das durch einen Laserpuls, der dem Protonenbündel vorausgeht, in ein Plasma (ein Zustand ionisierten Gases) umgewandelt wird. Ein kurzes Elektronenpaket kann dann in den Protonennachlauf injiziert werden, um auf hohe Energie beschleunigt zu werden. Damit die Elektronen effizient auf den Wellen des Plasmas reiten können, muss die Länge des Protonenbündels gleich der Plasmawellenlänge sein. Glücklicherweise zerfällt der lange Protonenstrahl des SPS automatisch in so kleine Bündel, wenn er sich durch das Plasma ausbreitet (er „moduliert sich selbst“), was es AWAKE ermöglichte, 2018 die erste Beschleunigung von Elektronen mit dieser Technik zu demonstrieren.

„Um die Reproduzierbarkeit des gesamten modulierten Protonenstrahls und damit seine Fähigkeit, Elektronen zu beschleunigen, zu erhalten, haben wir eine Technik entwickelt, um genau zu steuern, wann die Modulation beginnt: Wir impfen ihn mit einem anfänglichen Elektronenpaket, das sich von dem unterscheidet, auf das beschleunigt werden soll Durch die Injektion dieses Bündels mehrere Hundert Pikosekunden bevor die Protonen in das Plasma eintreten, moduliert die Vorderseite des Protonenstrahls synchron und erzeugt ein regelmäßiges Nachlauffeld, dessen Phase genau gemessen werden kann“, erklärt Livio Verra, Physiker in den Lepton Accelerators and Facilities (ABP-LAF) in der Abteilung Balken und Erstautor der Arbeit. Die Injektion des Elektronenpakets, auf dessen Beschleunigung das Experiment abzielt, kann dann perfekt getimt werden. Die Beschleunigung wird dadurch nachhaltig und kontrolliert, was zu einer beispiellosen Gesamtsteigung führt.

Edda Gschwendtner, AWAKE-Projektleiterin am CERN, blickt optimistisch in die Zukunft: „Der endgültige Erfolg der von AWAKE entwickelten Wakefield-Technologie beruht auf der Machbarkeit, die Protonenbündel-Selbstmodulation zu initiieren. Mit diesem nun erreichten Meilenstein ist die Zusammenarbeit abgeschlossen bereit, unsere nächsten Herausforderungen anzugehen, beginnend mit der Inbetriebnahme einer neuen Plasmaquelle.“

Diese Quelle, die vom Max-Planck-Institut in München, Deutschland, entwickelt wird, wird ein Plasma mit zwei Bereichen unterschiedlicher Dichte (und daher unterschiedlicher Temperatur) erzeugen, was den Gesamtbeschleunigungsgradienten im Vergleich zu dem erreichten weiter erhöhen wird bis jetzt. Die Einführung einer neuen Plasmaquelle ist nur ein Aspekt des reichhaltigen Studienprogramms, das während des zweiten Physiklaufs von AWAKE durchgeführt wird.

CERNs Long Shutdown 3 sieht den Abbau der letzten verbleibenden Komponenten der CNGS-Anlage vor. AWAKE plant, das Beste aus dieser Gelegenheit zu machen und den frei gewordenen Raum für die nächsten Phasen des Experiments zu nutzen. Diese Phasen konzentrieren sich auf die Beschleunigung von Elektronen auf hohe Energie unter Beibehaltung der Strahlqualität, eine Voraussetzung für zukünftige Anwendungen in der Teilchenphysik.

Parallel dazu wird die Zusammenarbeit die Entwicklung skalierbarer Plasmaquellentechnologien wie Entladungs- und Helicon-Plasmazellen fortsetzen, die der Schlüssel zur Erhöhung der Endenergiereichweite sind. Sobald diese Technologien validiert und die kontrollierte Elektronenbeschleunigung demonstriert wurden, wird dies die Tür für zukünftige Hochenergieanwendungen öffnen, wie z. B. Experimente mit festen Zielen auf der Suche nach dunkler Materie.