AWAKE acelera electrones hasta 2 GeV usando la estela en un plasma de protones de 400 GeV

Como un surfista que acelera montado en una ola, se pueden acelerar electrones usando la estela de la onda producida en un plasma por el paso de un haz de paquetes de protones de alta energía. En el CERN esta idea se estudia en el experimento AWAKE (Advanced Wakefield) que usa paquetes de protones acelerados por SPS (Super Proton Synchrotron) hasta 400 GeV. Los electrones se han acelerado en un factor de 100 (desde 19 MeV hasta 2 GeV) tras ser inyectados en una cámara de 10 metros que contiene un plasma (rubidio gaseoso calentado a 200 ºC mediante un haz láser) que es atravesado por los protones. Este hito se ha publicado en Nature ya que ha sido la primera vez que se demuestra esta técnica en la práctica; se espera que permita desarrollar futuros aceleradores lineales de electrones mucho más compactos que los actuales.

Se ha alcanzado un gradiente de 200 MV/m (megavoltios por metro), que podemos comparar con los 6 MV/m que alcanzaba LEP (el colisionador de leptones, electrón contra positrón, que ocupaba el túnel que ahora ocupa el LHC en el CERN). El objetivo de la colaboración AWAKE es alcanzar 1000 MV/m, es decir, 1 GV/m. Recuerda que su obra civil se inició en 2014 y que la cámara con el plasma se instaló en 2016 (donde se encontraba CNGS que producía un haz de neutrinos en dirección hacia Gran Sasso, Italia). La fuente de electrones se instaló a finales de 2017 y el hito que ahora se publica se logró el 25 de mayo de 2018. AWAKE pretende realizar ciencia (estudiar con electrones la estructura fina del protón y buscar fotones oscuros) a partir del año 2024, cuando finalice el LHC Run 3; entonces se podrá usar el LHC (14000 GeV) en lugar de SPS (400 GeV) para la aceleración de electrones. Mientras tanto solo es un demostrador de una nueva tecnología para acelerar electrones que podría conducir al desarrollo de futuros colisionadores de leptones mucho más compactos que los actuales.

El artículo es AWAKE Collaboration, “Acceleration of electrons in the plasma wakefield of a proton bunch,” Nature (29 Aug 2018), doi: 10.1038/s41586-018-0485-4. Más información divulgativa en Davide Castelvecchi, “CERN’s pioneering mini-accelerator passes first test. Physicists achieve powerful acceleration by ‘surfing’ electrons on proton waves over short distances,” Nature (29 Aug 2018), doi: doi: 10.1038/d41586-018-06114-9; Leah Crane, “CERN’s mini particle accelerator could finally smash apart electrons. AWAKE is boosting electrons faster than ever before,” New Scientist, 29 Aug 2018; Achintya Rao, “AWAKE successfully accelerates electrons,” News, CERN, 29 Aug 2018; Achintya Rao, “Success for AWAKE,” News, CERN, 31 Aug 2018; “Electrons ride plasma wave. First successful test of the particle accelerators of the future,” Max Planck Gesellschaft, 31 Aug 2018.

También recomiendo Elizabeth Gibney, “CERN prepares to test revolutionary mini-accelerator. Machines that ‘surf’ particles on electric fields could reach high energies at a lower price,” Nature 526: 173–174 (08 Oct 2015), doi: 10.1038/526173a.

AWAKE usa paquetes de unos Np ≈ 2.5–3.1 × 1011 protones acelerados a 400 GeV por SPS; cada paquete tiene una longitud de unos 6–8 cm y se enfoca hasta alcanzar un radio medio transversal de unos 0.2 mm. Producir el plasma (ionizar los átomos del gas de rubidio) se inyectan pulsos láser de 780 nm y 120 fs con una energía máxima de 420 mJ; estos pulsos se enfocan hasta un radio medio transversal de 1 mm antes de entrar en la cámara de Rb. La densidad del plasma de rubidio está en el rango de 1014–1015 cm−3 y su temperatura de 160–210 °C; por tanto la longitud de onda del plasma es de 1.1–3.3 mm. Por automodulación los paquetes de protones se compactan en micropaquetes al final de la cámara (en esta figura ilustran el proceso los incisos con fondo rosa).

Los electrones se inyectan en la cámara en paquetes con una carga de 656 ± 14 pC tras ser acelerados por radiofrecuencia hasta una energía de 18.84 ± 0.05 MeV. Su flujo de entrada se realiza con un pequeño ángulo respecto al flujo de entrada de los protones y con un retraso de 200 ps, que corresponde a entre 25–50 micropaquetes de protones cuando la densidad del plasma está entre 2–7 × 1014 cm−3; el proceso de inyección off-axis se ilustra en el inciso de fondo rosa de la parte inferior izquierda de la figura. Se cruzan ambos haces a unos 2 metros dentro de la cámara con un ángulo de cruce de 1.2–2 mrad. Según las simulaciones por ordenador un mayor número de electrones son capturados y acelerados cuando la inyección se realiza de esta forma en lugar de forma colinear con el haz de protones.

Sin entrar en los detalles sobre el espectrómetro magnético que se usar para medir la energía de los electrones que abandonan la cámara del plasma, solo me gustaría destacar que se ha alcanzado una energía de 2.0 ± 0.1 GeV para una densidad del plasma de 6.6 × 1014 cm−3. Este valor está en buen acuerdo con las predicciones realizadas mediante simulación por ordenador. Así se validan estas simulaciones y se podrá seguir mejorando el diseño de AWAKE. Los primeros pasos del proyecto están siendo muy prometedores, pero aún queda mucho para alcanzar el objetivo final, acelerar los electrones a energías en la escala TeV.

2 comentarios

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vivi680 vivi680

Hola Francis, me ha encantado esta entrada. He estado “awekeando” un poco por la red y en la pagina oficial del CERN he encontrado este video bastante explicativo :

https://youtu.be/5Ryp6UTCeUo

Me preguntaba si tiene sentido futuros diseños de aceleradores que utilizan como generador de ondas iones pesados en vez de protones.

Juan Carlos Juan Carlos

Una duda Francis. En el articulo dices que la longitud de onda del plasma es de 1.1-3.3 mm.
Aunque me suena este concepto, no tengo claro que es la LONGITUD DE ONDA DEL PLASMA.
¿Me podrías aclarar brevemente este concepto? Gracias.

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