Il Large Hadron Collider (LHC) presso l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) vicino a Ginevra, Si dice che la Svizzera sia il più grande acceleratore di particelle del mondo. L'acceleratore occupa un tunnel di 27 chilometri di circonferenza profondo 175 metri sotto il confine franco-svizzero. La struttura ha aiutato gli scienziati a scoprire il bosone di Higgs, l'ultima particella prevista dal Modello Standard, nel 2012.

Dopo la scoperta di Higgs, un obiettivo scientifico primario dei fisici delle alte energie è stato quello di caratterizzare le sue proprietà e scoprire altri fenomeni fisici delle alte energie. Di conseguenza, ci sono stati rapidi sviluppi nelle tecnologie degli acceleratori di particelle ad alta energia per supportare la ricerca in fisica delle alte energie. Però, le tecnologie utilizzate fino ad oggi possono essere migliorate e ampliate solo con grandi spese. Per questa ragione, è urgente rendere gli acceleratori ad alta energia più accessibili.

Un team internazionale di fisici, lavorando all'Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment (AWAKE) al CERN, hanno riferito di aver condotto un esperimento innovativo che dimostra un nuovo modo di accelerare gli elettroni ad alte energie, uno che potrebbe ridurre drasticamente le dimensioni dei futuri acceleratori di particelle e abbassarne i costi. Un articolo che descrive questo importante risultato è stato pubblicato in Natura il 29 agosto 2018.

AWAKE è una collaborazione scientifica internazionale composta da ingegneri e scienziati di 18 istituti, tra cui il CERN e il Max Planck Institute for Physics in Germania. Un gruppo di ricerca basato sull'UNIST, guidato dal Professor Moses Chung nel Dipartimento di Fisica è anche parte di questa collaborazione AWAKE e ha dato una serie di importanti contributi a AWAKE. Ciò include la progettazione di linee di luce e l'ottimizzazione dell'iniezione di fasci di elettroni.

"La tecnologia di AWAKE porterà un cambio di paradigma nello sviluppo di futuri acceleratori di particelle ad alta energia, dopo LHC, " afferma il professor Chung. "L'ultimo risultato potrebbe consentire agli ingegneri di ridurre drasticamente le dimensioni dei futuri acceleratori di particelle, riducendo le ingenti somme di denaro normalmente necessarie per costruirle." Aggiunge, "Le collisioni di particelle ad alta energia prodotte da queste strutture consentono ai fisici di sondare le leggi fondamentali della natura, fornendo la base per i progressi in un'enorme varietà di campi diversi."

Tipicamente, gli esperimenti di fisica delle particelle utilizzano campi elettrici oscillanti, chiamate cavità a radiofrequenza, e magneti ad alta potenza per accelerare le particelle ad alte energie. Ma questi esperimenti devono diventare piuttosto grandi, devono essere, per accelerare le particelle con energia sufficiente per studiarle correttamente.

Come opzione alternativa di riduzione dei costi per accelerare le particelle in modo più efficiente, l'acceleratore di wakefield è stato suggerito. I fisici inviano un raggio di entrambi gli elettroni, protoni, o un laser attraverso un plasma. Gli elettroni liberi nel plasma si muovono verso il raggio, ma superalo, poi torna a schiantarsi, creando una struttura a bolle dietro il raggio e intensi campi elettrici. Se si iniettano particelle, come più elettroni, nella scia, può accelerare le particelle iniettate in un tempo più breve con un campo elettrico 10 o più volte più forte.

Nello studio, per la prima volta è stata dimostrata l'accelerazione del campo di scia del plasma guidato da protoni. I forti campi elettrici, generato da una serie di micrograppoli di protoni, sono stati campionati con un gruppo di elettroni. Questi elettroni sono stati accelerati fino a 2 GeV in circa 10 m di plasma e misurati utilizzando uno spettrometro magnetico. Questa tecnica ha il potenziale per accelerare gli elettroni alla scala TeV in un unico stadio di accelerazione.

Sebbene sia ancora nelle prime fasi del suo programma, la collaborazione AWAKE ha compiuto un passo importante verso la realizzazione di nuovi esperimenti di fisica delle particelle ad alta energia.