Sabato mattina presto, 26 maggio 2018, la collaborazione AWAKE al CERN ha accelerato con successo gli elettroni per la prima volta utilizzando un campo di scia generato da protoni che sfrecciano attraverso un plasma. Un articolo che descrive questo importante risultato è stato pubblicato sulla rivista Natura oggi. Gli elettroni sono stati accelerati di un fattore di circa 100 su una lunghezza di 10 metri:sono stati iniettati esternamente in AWAKE ad un'energia di circa 19 MeV (milioni di elettronvolt) e hanno raggiunto un'energia di quasi 2 GeV (miliardi di elettronvolt). Sebbene sia ancora in una fase molto precoce di sviluppo, l'uso di wakefield al plasma potrebbe ridurre drasticamente le dimensioni, e quindi i costi, degli acceleratori necessari per ottenere le collisioni ad alta energia che i fisici utilizzano per sondare le leggi fondamentali della natura. La prima dimostrazione dell'accelerazione degli elettroni in AWAKE arriva solo cinque anni dopo l'approvazione del progetto da parte del CERN nel 2013 ed è un primo passo importante verso la realizzazione di questa visione.

SVEGLIO, che sta per "Advanced WAKEfield Experiment", è un progetto di ricerca e sviluppo di prova di principio che studia l'uso dei protoni per guidare i wakefield al plasma per accelerare gli elettroni a energie più elevate rispetto a quelle ottenibili utilizzando le tecnologie convenzionali. Gli acceleratori tradizionali utilizzano le cosiddette cavità a radiofrequenza (RF) per spingere i fasci di particelle a energie più elevate. Ciò comporta l'alternanza della polarità elettrica delle zone caricate positivamente e negativamente all'interno della cavità RF, con la combinazione di attrazione e repulsione che accelerano le particelle all'interno della cavità. Al contrario, negli acceleratori di wakefield, le particelle vengono accelerate "navigando" sopra l'onda di plasma (o wakefield) che contiene zone simili di cariche positive e negative.

I wakefield al plasma in sé non sono idee nuove; furono proposti per la prima volta alla fine degli anni '70. "Gli acceleratori di Wakefield hanno due fasci diversi:il fascio di particelle che è il bersaglio dell'accelerazione è noto come "raggio testimone", mentre il raggio che genera il campo di attivazione stesso è noto come "raggio pilota", " spiega Allen Caldwell, portavoce della collaborazione AWAKE. I precedenti esempi di accelerazione di wakefield si sono basati sull'utilizzo di elettroni o laser per il raggio di guida. AWAKE è il primo esperimento ad utilizzare i protoni per il raggio pilota, e il CERN offre l'opportunità perfetta per provare il concetto. I fasci pilota di protoni penetrano più in profondità nel plasma rispetto ai fasci pilota di elettroni e laser. "Perciò, " Caldwell aggiunge, "Gli acceleratori di wakefield che si affidano ai protoni per i loro raggi guida possono accelerare i loro raggi testimone per una distanza maggiore, di conseguenza permettendo loro di raggiungere energie più elevate."

AWAKE ottiene i suoi protoni drive dal Super Proton Synchrotron (SPS), che è l'ultimo acceleratore della catena che fornisce protoni al Large Hadron Collider (LHC). Protoni dall'SPS, viaggiando con un'energia di 400 GeV, vengono iniettati in una cosiddetta "cellula plasmatica" di AWAKE, che contiene gas rubidio riscaldato uniformemente a circa 200 ºC. Questi protoni sono accompagnati da un impulso laser che trasforma il gas Rubidio in un plasma – uno stato speciale di gas ionizzato – espellendo elettroni dagli atomi del gas. Mentre questo fascio di protoni caricati positivamente viaggia attraverso il plasma, fa sì che gli elettroni caricati negativamente, altrimenti distribuiti casualmente, all'interno del plasma oscillino secondo uno schema ondulatorio, proprio come una nave che si muove nell'acqua genera oscillazioni nella sua scia. Gli elettroni testimone vengono quindi iniettati ad angolo in questo plasma oscillante a energie relativamente basse e "cavalcano" l'onda di plasma per essere accelerata. All'altra estremità del plasma, un magnete dipolo piega gli elettroni in ingresso su un rivelatore. "Il campo magnetico del dipolo può essere regolato in modo che solo gli elettroni con un'energia specifica passino al rivelatore e diano un segnale in un punto particolare al suo interno, "dice Matteo Ala, vice portavoce di AWAKE, che è anche responsabile di questo apparato, noto come spettrometro elettronico. "In questo modo siamo stati in grado di determinare che gli elettroni accelerati hanno raggiunto un'energia fino a 2 GeV".

La forza alla quale un acceleratore può accelerare un fascio di particelle per unità di lunghezza è nota come gradiente di accelerazione e si misura in volt per metro (V/m). Maggiore è il gradiente di accelerazione, più efficace è l'accelerazione. Il grande collisore elettrone-positrone (LEP), che ha operato al CERN dal 1989 al 2000, utilizzava cavità RF convenzionali e aveva un gradiente di accelerazione nominale di 6 MV/m. "Accelerando gli elettroni a 2 GeV in soli 10 metri, AWAKE ha dimostrato di poter raggiungere una pendenza media di circa 200 MV/m, "dice Edda Gschwendtner, coordinatore tecnico e capo progetto CERN per AWAKE. Gschwendtner e colleghi mirano a raggiungere un eventuale gradiente di accelerazione di circa 1000 MV/m (o 1 GV/m).

AWAKE ha compiuto rapidi progressi sin dal suo inizio. I lavori di ingegneria civile per il progetto sono iniziati nel 2014, e la cella al plasma è stata installata all'inizio del 2016 nel tunnel precedentemente utilizzato da parte dell'impianto CNGS al CERN. Pochi mesi dopo, i primi fasci di protoni sono stati iniettati nella plasmacellula per mettere in funzione l'apparato sperimentale, e un wakefield guidato da protoni è stato osservato per la prima volta alla fine del 2016. Alla fine del 2017, la sorgente di elettroni, la linea del fascio di elettroni e lo spettrometro di elettroni sono stati installati nella struttura AWAKE per completare la fase preparatoria.

Ora che hanno dimostrato la capacità di accelerare gli elettroni usando un wakefield al plasma guidato da protoni, il team di AWAKE guarda al futuro. "I nostri prossimi passi includono piani per fornire elettroni accelerati a un esperimento di fisica e l'estensione del progetto con un programma di fisica a tutti gli effetti, " nota Patric Muggli, coordinatore di fisica per AWAKE. AWAKE continuerà a testare l'accelerazione wakefield degli elettroni per il resto del 2018, dopodiché l'intero complesso di acceleratori del CERN subirà una fermata di due anni per aggiornamenti e manutenzione. Gschwendtner è ottimista:"Non vediamo l'ora di ottenere più risultati dal nostro esperimento per dimostrare la portata dei wakefield al plasma come base per i futuri acceleratori di particelle".