AWAKE

Eksperyment AWAKE w CERN-ie

Eksperyment AWAKE (Advanced WAKEfield Experiment) realizowany w CERN-ie to innowacyjny akcelerator plazmowy, którego celem jest zbadanie możliwości przyspieszania elektronów za pomocą fali generowanej przez protony w plazmie. To pierwszy tego typu akcelerator na świecie. Jego głównym zadaniem jest przyspieszenie niskoenergetycznych elektronów z poziomu 15-20 MeV do kilku GeV na krótkim dystansie (10 m) poprzez stworzenie wysokiego gradientu przyspieszenia, osiągającego kilka GV/m. Tradycyjne akceleratory, takie jak LHC w CERN-ie, wykorzystują standardowe lub nadprzewodzące wnęki rezonansowe (ang. RF cavities) do przyspieszania cząstek, co ogranicza ich gradient przyspieszenia do około 100 MV/m.

Akceleratory kołowe napotykają trudności w efektywnym transporcie wysokoenergetycznych elektronów z powodu znacznej utraty energii przez promieniowanie synchrotronowe. Z kolei akceleratory liniowe są lepiej przystosowane do przyspieszania i transportu elektronów o wysokiej energii, ponieważ ten problem ich nie dotyczy.

Wysoki gradient przyspieszenia w AWAKE otwiera drogę do budowy nowej generacji krótszych i tańszych akceleratorów, co stanowi znaczący krok naprzód w technologii przyspieszania cząstek, zwłaszcza w kontekście liniowych akceleratorów elektronów.

Przyspieszanie w polu wzbudzonym plazmy

Plazma składa się z dodatnio naładowanych jonów oraz ujemnie naładowanych wolnych elektronów, pozostając neutralna na poziomie makroskopowym. Dzięki silnemu polu elektrycznemu możliwe jest oddzielenie jonów od elektronów, co prowadzi do powstania lokalnego pola elektrycznego, zdolnego do przyspieszania naładowanej cząstki przelatującej przez plazmę.

Gdy pakiet protonów, działający jako czynnik napędzający, wchodzi w interakcję z plazmą, przyciąga ujemnie naładowane elektrony, które zaczynają oscylować wokół niego, tworząc tzw. „wzbudzone pole” (ang. wakefield). Interakcja pomiędzy tym „wzbudzonym polem” a naładowaną cząstką wprowadzoną za protonem przypomina relację między surferem a falą – fala przekazuje swoją energię surferowi, co skutkuje jego przyspieszeniem. „Wzbudzone pole” składa się z faz przyspieszających, opóźniających, skupiających oraz rozpraszających. Krytyczne jest odpowiednie miejsce wprowadzenia pakietu elektronów do „wzbudzonego pola”, ponieważ tylko jedna czwarta tego pola jest jednocześnie skupiająca i przyspieszająca, co jest niezbędne do skutecznego przyspieszania elektronów.

Eksperyment AWAKE to pierwszy plazmowy akcelerator, który wykorzystuje protony jako czynnik napędzający. Protony, takie jak te pochodzące z akceleratora SPS w CERN-ie, mogą przenosić znaczące ilości energii (około 400 GeV), co pozwala im na generowanie „wzbudzonych pól” w plazmie na dłuższych odcinkach niż inne czynniki napędzające, takie jak impulsy laserowe czy pakiety elektronów, ponieważ ich energia nie maleje tak szybko.

Plazmę można opisać jako zbiór oscylatorów, których częstotliwość odpowiada częstotliwości plazmy ωp2=4nee2/εme, gdzie ne to gęstość elektronów plazmy, me to masa elektronu, a e to ładunek elementarny. Aby wzbudzić oscylatory rezonansowo, czynnik napędzający musi zawierać składową Fouriera bliską częstotliwości plazmy ωp. Dodatkowo, długość pakietu napędzającego powinna być zbliżona do długości fali plazmy λp (=2πc/ωp, gdzie c to prędkość światła). Dla gęstości na poziomie AWAKE (ne ≈ 1•10¹⁵ cm⁻³) długość ta wynosi około λp ≈ 1 mm. Niemniej jednak, długość dostępnych pakietów protonów znacznie przekracza tę wartość. AWAKE wykorzystuje zjawisko „zaszczepionej samomodulacji” (ang. seeded self-modulation, SSM), które dzieli długi pakiet protonów na krótsze mikropakiety o długości odpowiadającej długości fali plazmy, umożliwiające rezonansowe wzbudzanie pola.

Laboratorium AWAKE

Eksperyment AWAKE ma miejsce w CERN-ie, w byłych pomieszczeniach projektu CNGS (ang. CERN Neutrinos to Gran Sasso). Miejsce to zostało wybrane ze względu na swoje podziemne położenie, co pozwala na wykorzystanie wiązek protonów o wysokiej energii, minimalizując jednocześnie problemy związane z promieniowaniem.

Pakiety protonów dla AWAKE, przesyłane z akceleratora SPS, transportowane są rurą o długości około 800 m do 10-metrowego źródła pary AWAKE. Elektrony wytwarzane przez wybicie ich z katody za pomocą wiązki lasera są wstępnie przyspieszane do energii około 20 MeV, a następnie wprowadzane w plazmę za protonami. Do detekcji przyspieszonych elektronów służy magnes dipolowy zainstalowany za źródłem pary, który zmienia ich trajektorię. W miarę wzrostu energii elektronów, ich trajektorie ulegają mniejszemu zakrzywieniu w polu magnetycznym. Ekran scyntylacyjny, umieszczony w dalszej części, rejestruje elektrony i pozwala na określenie ich odchylenia oraz uzyskanej energii.

Źródło pary składa się z pary rubidu (Rb), która jest jonizowana przez laser tytanowo-szafirowy. Źródło to znajduje się w kąpieli olejowej, a jego temperatura może być regulowana, co pozwala na utrzymanie stałej gęstości pary rubidu wzdłuż całej długości źródła.

AWAKE wykorzystuje impulsy laserowe w trzech celach. Po pierwsze, laser jonizuje parę rubidu, generując plazmę. Po drugie, impuls laserowy jest przesyłany równolegle z pakietem protonów, inicjując proces samomodulacji w plazmie. Po trzecie, laser określa odpowiednią fazę, w której należy wprowadzić pakiet elektronów, aby mogły być one schwytane i przyspieszone.

Kalendarium

Pierwszy okres działania AWAKE miał miejsce w latach 2016-2018. 10-metrowe źródło pary zostało zainstalowane 11 lutego 2016 roku, a pierwsza wiązka protonów przeszła przez rurę oraz puste źródło pary 16 czerwca 2016 roku. Pierwsze dane z wiązką protonów w plazmie uzyskano w grudniu 2016 roku.

26 maja 2018 roku AWAKE po raz pierwszy przyspieszyło wiązkę elektronów, zwiększając jej energię z 19 MeV do 2 GeV na długości 10 m.

Kolejny okres działania zaplanowano na lata 2021-2024. W tym czasie gradient przyspieszenia ma zostać zwiększony, a emitancja (rozmycie wiązki w przestrzeni i pędzie cząstek) wiązki elektronów ma się zmniejszyć. Oczekuje się, że energia elektronów wzrośnie do 10 GeV, a następnie planowane jest dalsze zwiększenie energii do co najmniej 50 GeV oraz zastosowanie wiązki w pierwszych aplikacjach.

Teorie spiskowe

W sieci pojawiają się teorie spiskowe dotyczące rzeczywistego celu eksperymentu AWAKE, sugerujące, że jego uruchomienie miało na celu stworzenie portalu nad CERN-em w celu sprowadzenia demonów na Ziemię.