Die AWAKE-Kollaboration erreicht die Kontrolle über die Instabilitäten eines Protonenpakets im Plasma

Das Advanced WAKEfield Experiment (AWAKE) ist ein großes Experiment, das am CERN durchgeführt wird und die Plasma-Wakefield-Beschleunigung untersucht. Es ist die erste Forschungsanstrengung auf diesem Gebiet, die ein relativistisches Protonenbündel als Treiber von Plasma-Wakefields verwendet, um Zeugenelektronen auf hohe Energien zu beschleunigen.

Die Verwendung eines Protonenpakets hat zahlreiche Vorteile für Plasmabeschleunigungsexperimente. Vor allem ermöglicht es den Forschern, einen großen Beschleunigungsgradienten über große Entfernungen aufrechtzuerhalten, ohne den Beschleuniger in mehrere verschiedene Abschnitte aufteilen zu müssen.

Die AWAKE-Kollaboration, die am AWAKE-Experiment beteiligte Forschergruppe, umfasst mehr als 100 Ingenieure und Physiker aus 23 verschiedenen Instituten weltweit. In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in Briefe zur körperlichen Überprüfungzeigt dieses große Team von Wissenschaftlern, dass die Selbstmodulation eines Protonenpakets kontrolliert werden kann, indem die Instabilität gesät wird.

„Verfügbare Protonenpakete sind viel länger als die typische Plasmawellenlänge“, sagte Livio Verra, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org. „Um Wakefields mit großer Amplitude anzutreiben, verlassen wir uns auf die Selbstmodulationsinstabilität des Bündels im Plasma. Dieser Prozess verwandelt das lange Bündel in einen Zug von Mikrobündeln, die durch die Periode der Wakefields beabstandet sind und Wakefields mit großer Amplitude antreiben.“

Damit der Selbstmodulationsprozess des Protonenpakets reproduzierbar ist und mit hoher Präzision kontrolliert werden kann, muss die Instabilität des Pakets „geimpft“ werden. In ihren bisherigen Studien erreichten die Forscher dies, indem sie das Plasma innerhalb des Protonenpakets mit einem Laserpuls anschalteten.

Trotz ihrer vielversprechenden Ergebnisse fanden sie heraus, dass diese Methode die erhebliche Einschränkung aufwies, dass nur ein Bruchteil des Protonenpakets moduliert wurde.

„In unserer neuen Arbeit zeigen wir, dass die Selbstmodulation mit Hilfe der Wakefields, die von einem vorangehenden Elektronenpaket angetrieben werden, gesät werden kann“, erklärte Verra. „In diesem Fall moduliert sich das gesamte Protonenpaket kontrolliert und reproduzierbar selbst, das ist ein wichtiger Meilenstein für die Zukunft des Experiments.“

Im Zusammenhang mit protonengetriebenen Plasma-Wakefield-Beschleunigern ist der Selbstmodulationsprozess im Wesentlichen eine Instabilität, bei der die Amplitude der Wakefields im Plasma entlang des Protonenbündels und entlang des Plasmas wächst. Das Wachstum dieser Selbstmodulation wird durch zwei Schlüsselparameter bestimmt, nämlich die Amplitude der Seed-Wakefields, die den Startwert der Felder definiert, und die Wachstumsrate, die definiert, wie schnell die Instabilität wächst.

„Indem wir die Selbstmodulation mit dem vorangehenden Elektronenpaket aussäen, entwirren wir diese beiden Parameter, mit denen andere Aussaatmethoden immer korrelieren“, sagte Verra. „Das bedeutet, dass die Parameter des Seed-Elektronenpakets die Amplitude des Seed-Wakefields und die Parameter des Protonenpakets die Wachstumsrate der Instabilität definieren.“

Unter Verwendung des in ihrer Veröffentlichung vorgestellten Ansatzes waren Verra und seine Kollegen in der Lage, das Wachstum der Selbstmodulation eines Protonenpakets im Plasmateilchenbeschleuniger des CERN mithilfe von zwei unterschiedlichen „Knöpfen“ unabhängig voneinander zu steuern. Dies sind im Wesentlichen die beiden Schlüsselparameter, die das Wachstum der Selbstmodulation definieren.

Die jüngste Arbeit dieses Forscherteams zeigt, dass sich das gesamte Protonenpaket in ihrem Plasmateilchenbeschleuniger auf reproduzierbare Weise selbst moduliert. Diese entscheidende Erkenntnis könnte den Weg für ein neues experimentelles Design in der protonengetriebenen Plasma-Wakefield-Beschleunigung ebnen, die auf zwei separaten Plasmen beruht.

Eines dieser Plasmen wäre speziell am Selbstmodulationsprozess beteiligt, das andere an der Elektronenbeschleunigung. Diese beiden Plasmen werden durch einen Lückenbereich getrennt, wo die Injektion des Zeugen-Elektronenpakets stattfindet.

„Da das zweite Plasma vorgeformt wird, muss das gesamte Protonenbündel selbstmoduliert werden“, sagte Verra. „Darüber hinaus ist das Zeigen der Kontrolle einer Instabilität ein wichtiges eigenständiges physikalisches Ergebnis, das auf andere bestimmte Themen in der Plasmaphysik ausgeweitet werden könnte.“

Seit Anfang 2022 führt die AWAKE-Kollaboration mehrere Studien durch, die sich auf die Aussaat der Selbstmodulationsinstabilität im Plasma mithilfe eines Elektronenpakets konzentrieren. Derzeit untersuchen sie speziell die Toleranzen ihrer Methode in Bezug auf die räumliche und zeitliche Ausrichtung zwischen Strahlen.

„Die Fragen, die wir zu beantworten versuchen, sind: Wie weit können die Elektronen- und Protonenstrahlen in Querposition voneinander entfernt eingeschossen werden, ohne dass zerstörerische Instabilitäten auftreten?“ Verra fügte hinzu. „Und: Wie weit muss das Elektronenpaket in Bezug auf das Protonenpaket injiziert werden, um effektiv zu impfen? In den Jahren 2023–2024 werden wir die Auswirkung eines Plasmadichteschritts auf die Selbstmodulation und auf die Amplitude von untersuchen die Wakefields, und danach werden wir das Experiment modifizieren, um das zweite Plasma für das Beschleunigungsexperiment unterzubringen.“

Das ultimative Ziel des Teams wird es sein, qualitativ hochwertige und hochenergetische Elektronenpakete in Teilchenphysik-Experimenten zu liefern. Ihre nächsten Studien werden weitere Schritte in diese Richtung gehen.

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