La figura mostra la somma di dieci immagini consecutive risolte nel tempo del mazzo di protoni automodulati. Il mazzo viaggia da sinistra a destra. La tempistica della modulazione è determinata dal gruppo di elettroni precedente ed è riproducibile da evento a evento. Credito:CERN
Dal tunnel che ha ospitato l'ormai in pensione Neutrinos del CERN alla struttura del Gran Sasso (CNGS), AWAKE (Advanced Wakefield Experiment) sta cercando di rivoluzionare il campo dell'accelerazione delle particelle. La forte collaborazione tra 23 istituti mira a introdurre un'alternativa praticabile e più efficiente alla tradizionale accelerazione a radiofrequenza, con particelle cariche (in questo caso, elettroni) che "navigano" sulle onde di un campo di plasma (o "campo di risveglio") generato da un corto, intenso mazzo di protoni sparato attraverso il plasma.
Mentre è stato dimostrato che i wakefield del plasma producono gradienti di accelerazione fino a 1000 volte superiori a quelli raggiunti con le cavità a radiofrequenza, il loro uso negli esperimenti di fisica delle particelle e ad alta energia è stato limitato dalla natura poco pratica delle tecniche attuali, che richiedono la giustapposizione di diversi plasma fonti per raggiungere alte energie. AWAKE, d'altra parte, è il primo esperimento a studiare l'uso di protoni, piuttosto che laser o fasci di elettroni, per pilotare il plasma.
Per creare i wakefield appropriati nel plasma per un'accelerazione elettronica efficiente, il lungo fascio di protoni estratto verso AWAKE dal Super Proton Synchrotron (SPS) del CERN deve essere suddiviso in mazzi più piccoli in un processo noto come modulazione. In una Lettere di revisione fisica pubblicato il 6 luglio, la collaborazione ha mostrato come una tale modulazione del fascio di protoni può essere controllata seminando il processo con elettroni relativistici, un passo cruciale verso un acceleratore funzionante basato sul wakefield.
Per cogliere il concetto di seeding, è necessario approfondire la tecnologia alla base di AWAKE. Il fascio di protoni dell'SPS viene iniettato in una sorgente di vapore contenente rubidio, che viene trasformato in plasma (uno stato di gas ionizzato) da un impulso laser che precede il fascio di protoni. Un breve fascio di elettroni può quindi essere iniettato nella scia del protone per essere accelerato ad alta energia. Affinché gli elettroni possano cavalcare le onde del plasma in modo efficiente, la lunghezza del fascio di protoni deve essere uguale alla lunghezza d'onda del plasma. Fortunatamente, il lungo fascio di protoni dell'SPS si rompe automaticamente in gruppi così piccoli quando si propaga attraverso il plasma (si "auto-modula"), che è ciò che ha permesso ad AWAKE di dimostrare la prima accelerazione degli elettroni utilizzando questa tecnica nel 2018.
"Per preservare la riproducibilità dell'intero fascio di protoni modulato, e quindi la sua capacità di accelerare gli elettroni, abbiamo ideato una tecnica per controllare esattamente quando inizia la modulazione:lo inseminiamo con un fascio di elettroni iniziale, diverso da quello che è mirato all'accelerazione Iniettando questo gruppo diverse centinaia di picosecondi prima che i protoni entrino nel plasma, la parte anteriore del fascio di protoni modula in sincronia, creando un campo di scia regolare la cui fase può essere misurata con precisione", spiega Livio Verra, fisico del Lepton Accelerators and Facilities (ABP-LAF) nel dipartimento Travi e primo autore dell'articolo. L'iniezione del fascio di elettroni la cui accelerazione mirata all'esperimento può quindi essere sincronizzata perfettamente. L'accelerazione diventa quindi sostenibile e controllata, producendo una pendenza complessiva senza precedenti.
Edda Gschwendtner, leader del progetto AWAKE al CERN, guarda al futuro con ottimismo:"Il successo finale della tecnologia wakefield sviluppata da AWAKE si basa sulla fattibilità di seminare l'automodulazione del mazzo di protoni. Con questa pietra miliare ora raggiunta, la collaborazione è pronti ad affrontare le nostre prossime sfide, a cominciare dalla messa in servizio di una nuova sorgente di plasma".
Questa sorgente, in fase di sviluppo presso il Max Planck Institute di Monaco di Baviera, in Germania, genererà un plasma con due regioni di diversa densità (e, quindi, di diversa temperatura), che aumenteranno ulteriormente il gradiente di accelerazione complessivo rispetto a quello raggiunto finora. L'introduzione di una nuova sorgente di plasma è solo un aspetto del ricco programma di studi da svolgere durante la seconda prova di fisica di AWAKE.
Il Long Shutdown 3 del CERN vedrà lo smantellamento degli ultimi componenti rimasti dell'impianto CNGS. AWAKE intende sfruttare al meglio questa opportunità, utilizzando lo spazio liberato per le fasi successive dell'esperimento. Queste fasi si concentreranno sull'accelerazione degli elettroni ad alta energia preservando la qualità del raggio, un prerequisito per future applicazioni nella fisica delle particelle.
Parallelamente, la collaborazione continuerà a sviluppare tecnologie scalabili per sorgenti di plasma, come le plasmacellule a scarica ed elicoidali, che sono fondamentali per aumentare la portata di energia finale. Una volta che queste tecnologie saranno state convalidate e l'accelerazione controllata degli elettroni sarà stata dimostrata, si aprirà la porta a future applicazioni ad alta energia, come esperimenti a bersaglio fisso alla ricerca di materia oscura. + Esplora ulteriormente
