AWAKE

Ten artykuł dotyczy eksperymentu fizycznego. Zobacz też: Awake.

10-metrowa komora plazmowa AWAKE opracowana przez Instytut Fizyki Maksa Plancka

Scyntylator o szerokości jednego metra. Jest to ekran emitujący światło gdy przelatuje przez niego naładowana cząstka. Służy on do określenia czy cząstki zostały przyspieszone^[1]

Źródło elektronów i rura przez którą przebiega wiązka

Przekrój fotoiniektora RF produkującego pakiety elektronów w celu wprowadzenia do wzbudzonej plazmy

Eksperyment AWAKE (Advanced WAKEfield Experiment) w CERN-ie to koncepcyjny akcelerator plazmowy, mający na celu zbadanie wykonalności przyspieszenia elektronów za pomocą fali wytworzonej przez protony w plaźmie. Jest to pierwszy tego rodzaju akcelerator na świecie. Jego celem jest przyspieszenie wiązki niskoenergetycznych elektronów z 15-20 MeV do kilku GeV na krótkim dystansie (10 m) dzięki wytworzeniu wysokiego gradientu przyspieszenia o wartości kilku GV/m. Obecnie używane akceleratory, takie jak LHC w CERN-ie, przyspieszają cząstki przy użyciu standardowych lub nadprzewodzących wnęk rezonansowych (ang. RF cavities). W ich przypadku gradient przyspieszenia jest jednak ograniczony do wartości rzędu 100 MV/m.

Akceleratory kołowe nie są zdolne do wydajnego transportu wysokoenergetycznych elektronów z powodu dużej utraty energii przez promieniowanie synchrotronowe. Problem ten nie występuje w akceleratorach liniowych i z tego powodu są one lepiej przystosowane do przyśpieszania i transportu elektronów o wysokiej energii.^[2][1]

Wysoki gradient przyspieszenia AWAKE pozwoli na konstrukcję nowej generacji krótszych i tańszych akceleratorów. Jest to duży postęp w technologii akceleracji cząstek, zwłaszcza jeśli chodzi o liniowe przyspieszacze elektronów.

Przyspieszanie w polu wzbudzonym plazmy

Symulacja oddziaływań pomiędzy pakietami protonów (czerwone punkty) i "wzbudzonym polem" plazmy (niebieskie fale).

Plazma składa się z dodatnio naładowanych jonów i ujemnie naładowanych wolnych elektronów, pozostając neutralna w skali makroskopowej. Za pomocą silnego pola elektrycznego można oddzielić od siebie w przestrzeni jony i elektrony. Wytwarza się przez to lokalne pole elektryczne, którym można przyspieszyć naładowaną cząstkę przelatującą przez taką plazmę^[3].

Gdy pakiet protonów będący czynnikiem napędzającym penetruje plazmę, przyciąga do siebie ujemnie naładowane elektrony plazmy, które mijając go zaczynają oscylować, tworząc "wzbudzone pole" (ang. wakefield). Oddziaływanie pomiędzy "wzbudzonym polem" i naładowaną cząstką wprowadzoną za protonem można porównać to interakcji pomiędzy surferem a falą. Fala przekazuje swoją energię surferowi, który przez to przyspiesza. "Wzbudzone pole" składa się z fazy przyspieszającej i opóźniającej, jak również z fazy skupiającej i rozpraszającej. Miejsce wprowadzenia pakietu elektronów do "wzbudzonego pola" jest kluczowe, ponieważ jedynie jedna czwarta "wzbudzonego pola" jest jednocześnie skupiająca i przyspieszająca, co jest konieczne do schwytania i przyspieszania elektronów.

AWAKE jest pierwszym eksperymentalnym akceleratorem plazmowym, który używa protonów jako czynnika napędzającego. Protony, np. pochodzące z akceleratora SPS w CERN-ie, mogą przenosić duże ilości energii (ok. 400 GeV). Dzięki temu mogą wytwarzać "wzbudzone pola" w plaźmie na dłuższych odcinkach niż alternatywne czynniki napędzające (takie jak impuls lasera albo pakiet elektronów), ponieważ ich energia nie wyczerpuje się tak szybko^[4].

Plazmę można opisać jako zbiór oscylatorów o częstotliwości takiej samej jak częstotliwość plazmy ω_p²=4n_ee²/εm_e, gdzie n_e oznacza gęstość elektronów plazmy, m_e masę elektronu a e ładunek elementarny^[5]. Aby wzbudzić oscylatory rezonansowo, czynnik napędzający musi zawierać składową Fouriera bliską częstotliwości plazmy ω_p^[5]. Ponadto, długość pakietu napędzającego powinna być zbliżona do długości fali plazmy λ_p (=2πc/ω_p gdzie c jest prędkością światła). Przy gęstości na poziomie takim jak w AWAKE (n_e ≈ 1•10¹⁵ cm⁻³) odpowiada to w przybliżeniu λ_p ≈ 1 mm. Jednakże, długość obecnie dostępnych pakietów protonów znacznie przekracza tę wartość. AWAKE korzysta ze zjawiska "zaszczepionej samomodulacji" (ang. seeded self-modulation, SSM) pakietu protonów przemierzającego plazmę. Zjawisko to dzieli długi pakiet protonów na krótkie mikropakiety o długości takiej jak długość fali plazmy, zdolne do rezonansowego wzbudzania pola^[4][5].

Laboratorium AWAKE

Eksperyment AWAKE jest prowadzony w CERN-ie, w dawnych pomieszczeniach projektu CNGS (ang. CERN Neutrinos to Gran Sasso). Miejsce to wybrano ze względu na jego położenie pod powierzchnią ziemi. Zostało ono specjalnie zaprojektowane w celu wykorzystania wiązek protonów o wysokiej energii, unikając przy tym znaczących problemów związanych z promieniowaniem^[2].

Pakiety protonów dla AWAKE, dostarczane z akceleratora SPS, transportowane są rurą o długości około 800 m do 10-metrowego źródła pary AWAKE. Elektrony produkowane poprzez wybicie ich z katody za pomocą wiązki lasera są wstępne przyspieszenie do energii około 20 MeV, a następnie są wprowadzane w plazmę za protonami^[4][6]. Do wykrycia przyspieszenia wprowadzonych elektronów służy magnes dipolowy zainstalowany za parą, zmieniający ich trajektorię. Im większa energia elektronu, tym mniejsze zakrzywienie jego trajektorii w polu magnetycznym. Umieszczony dalej ekran scyntylatora rejestruje elektrony i pozwala określić ich odchylenie, a tym samym uzyskaną energię^[1].

Źródło pary zawiera parę rubidu (Rb), która jest jonizowana przez laser tytanowo-szafirowy. Źródło pary jest zanurzone w kąpieli z oleju. Przez zmianę temperatury oleju można ustawić i utrzymać stałą gęstość pary rubidu wzdłuż źródła pary.

AWAKE wykorzystuje impulsy lasera do trzech celów. Laser jonizuje parę rubidu wytwarzając plazmę. Dodatkowo impuls laserowy przesyłany jest równolegle z pakietem protonów, wywołując (zaszczepiając) proces samomodulacji pakietu protonów w plaźmie. Określa on także właściwą fazę w której należy wprowadzić pakiet elektronów, tak aby zostały one schwytane i przyspieszone^[7].

Kalendarium

Pierwszy okres działania AWAKE trwał od 2016 do 2018 roku. 10-metrowe źródło pary zainstalowano 11 lutego 2016 roku, a pierwszą wiązkę protonów przesłano przez rurę i puste źródło pary 16 czerwca 2016 roku. Pierwsze dane z wiązką protonów wewnątrz plazmy uzyskano w grudniu 2016 roku^[4][1].

26 maja 2018 roku AWAKE po raz pierwszy dokonało przyspieszenia wiązki elektronów. Wiązka została przyspieszona z 19 MeV do 2 GeV na długości 10 m^[8].

Drugi okres działania jest zaplanowany na 2021 do 2024 roku. Gradient przyspieszenie zostanie zwiększony i oczekuje się, że zmniejszy się emitancja (rozmycie wiązki w przestrzeni i w wartościach pędu cząstek) wiązki elektronów. Planuje się, że energia elektronów wzrośnie do 10 GeV. Następnym etapem jest zwiększenie energii do co najmniej 50 GeV i dostarczenie wiązki do pierwszych zastosowań^[9].

Teorie spiskowe

W sieci krążą teorie spiskowe co do prawdziwego celu eksperymentu AWAKE. Uruchomienie eksperymentu miało doprowadzić do pojawienia się portalu ponad CERN-em w celu sprowadzenia na Ziemię demonów^[10].

Przypisy

1. I. Raynova: AWAKE: Closer to a breakthrough acceleration technology. 2017.
2. A. Caldwell, E. Gschwendtner, K. Lotov, P. Muggli, M. Wing: AWAKE Design Report: A Proton-Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment at CERN. 2013. CERN-SPSC-2013-013 ; SPSC-TDR-003.
3. C.C. Joshi C.C. i inni, Ultrahigh gradient particle acceleration by intense laser-driven plasma density waves, „Nature”, 5986, 311, 1984, s. 525–529, DOI: 10.1038/311525a0, ISSN 0028-0836, Bibcode: 1984Natur.311..525J .
4. S. Pandolfi: Awakening acceleration: AWAKE’s plasma cell arrives. 2016.
5. NaveenN. Kumar NaveenN., AlexanderA. Pukhov AlexanderA., KonstantinK. Lotov KonstantinK., Self-Modulation Instability of a Long Proton Bunch in Plasmas, „Physical Review Letters”, 25, 104, 2010, s. 255003, DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.255003, PMID: 20867389, Bibcode: 2010PhRvL.104y5003K, arXiv:1003.5816 .
6. K.K. Pepitone K.K. i inni, The electron accelerator for the AWAKE experiment at CERN, „Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment”, 829, 2016, s. 73–75, DOI: 10.1016/j.nima.2016.02.025 [dostęp 2020-08-05]  (ang.).
7. P.P. Muggli P.P., Progress toward an experiment at AWAKE, 2016, DOI: 10.18429/JACoW-NAPAC2016-WEPOA02 . Brak numerów stron w książce
8. E.E. Adli E.E., A.A. Ahuja A.A., Acceleration of electrons in the plasma wakefield of a proton bunch, „Nature”, 7723, 561, 2018, s. 363–367, DOI: 10.1038/s41586-018-0485-4, ISSN 0028-0836, PMID: 30188496, Bibcode: 2018Natur.561..363A, arXiv:1808.09759 .
9. Anthony Hartin: Particle physics applications of the AWAKE acceleration scheme, EPS-HEP2019
10. CERN PROJECT AWAKE OPENING PORTALS! [online] 

Linki zewnętrzne

• Oficjalna strona eksperymentu AWAKE (ang.)