Un treno di brevi fasci di protoni viaggia attraverso il campo di plasma, formando un'onda sulla quale gli elettroni possono essere accelerati. Attestazione:AWAKE
Il futuro dell'accelerazione delle particelle è iniziato. Awake è un concetto promettente per un metodo completamente nuovo con il quale le particelle possono essere accelerate anche su brevi distanze. La base per questo è un'onda di plasma che accelera gli elettroni e quindi li porta ad alte energie. Un team guidato dal Max Planck Institute for Physics ora segnala una svolta in questo contesto. Per la prima volta, sono stati in grado di cronometrare con precisione la produzione dei micrograppoli di protoni che guidano l'onda nel plasma. Ciò soddisfa un importante prerequisito per l'utilizzo della tecnologia Awake per esperimenti di collisione.
Come si crea un'onda per gli elettroni? La sostanza vettore per questo è un plasma (cioè, un gas ionizzato in cui le cariche positive e negative sono separate). Dirigere un raggio di protoni attraverso il plasma crea un'onda su cui gli elettroni viaggiano e vengono accelerati ad alte energie.
La sorgente di protoni di Awake è l'anello SPS al Cern, un preacceleratore per l'anello di circonferenza di 27 chilometri del Large Hadron Collider (LHC). Produce grappoli di protoni lunghi circa 10 cm. "Però, per generare un'onda di plasma di grande ampiezza, la lunghezza del grappolo di protoni deve essere molto più breve, nell'ordine dei millimetri, " spiega Fabian Batsch, dottorato di ricerca studente al Max Planck Institute for Physics.
Gli scienziati sfruttano l'automodulazione, un'interazione "naturale" tra grappolo e plasma. "Nel processo, il grappolo di protoni più lungo è suddiviso in micrograppoli di protoni ad alta energia di pochi millimetri di lunghezza, costruire la trave del treno, " dice Batsch. "Questo processo forma un'onda di plasma, che si propaga con il treno che viaggia attraverso il campo di plasma."
Allestimento dell'esperimento Awake presso il centro di ricerca del Cern. Credito:M. Brice/CERN
La tempistica precisa consente l'accelerazione ideale degli elettroni
Però, è necessario un campo stabile e riproducibile per accelerare gli elettroni e portarli alla collisione. Questo è esattamente ciò che il team ha trovato una soluzione per ora. "Se viene applicato un campo elettrico sufficientemente grande quando viene iniettato il lungo fascio di protoni e l'automodulazione viene quindi immediatamente messa in moto."
"Poiché il plasma si forma subito, possiamo cronometrare esattamente la fase dei micrograppoli di protoni corti, "dice Patrizio Muggli, capo del gruppo di lavoro Awake presso il Max Planck Institute for Physics. "Questo ci permette di stabilire il ritmo del treno. Così, gli elettroni vengono catturati e accelerati dall'onda nel momento ideale."
Primi progetti di ricerca in vista
La tecnologia Awake è ancora nelle prime fasi di sviluppo. Però, ad ogni passo verso il successo, aumentano le possibilità che questa tecnologia di accelerazione venga effettivamente utilizzata nei prossimi decenni. Le prime proposte di progetti acceleratori più piccoli (es. ad esempio per studiare la struttura fine dei protoni) devono essere realizzati già nel 2024.
Secondo Muggli, i vantaggi della nuova tecnologia dell'acceleratore, l'accelerazione del campo di scia del plasma, sono evidenti:"Con questa tecnologia, possiamo ridurre la distanza necessaria per accelerare gli elettroni fino all'energia di picco di un fattore 20. Gli acceleratori del futuro potrebbero quindi essere molto più piccoli. Ciò significa:meno spazio, meno sforzo, e quindi costi inferiori".
