Temprano en la mañana del sábado 26 de mayo de 2018, La colaboración de AWAKE en el CERN aceleró con éxito los electrones por primera vez utilizando un campo de activación generado por protones que atraviesan un plasma. En la revista se publicó un artículo que describe este importante resultado. Naturaleza hoy dia. Los electrones se aceleraron en un factor de alrededor de 100 en una longitud de 10 metros:se inyectaron externamente en AWAKE a una energía de alrededor de 19 MeV (millones de electronvoltios) y alcanzaron una energía de casi 2 GeV (mil millones de electronvoltios). Aunque todavía se encuentra en una etapa muy temprana de desarrollo, el uso de wakefields de plasma podría reducir drásticamente los tamaños, y por lo tanto los costos, de los aceleradores necesarios para lograr las colisiones de alta energía que los físicos utilizan para investigar las leyes fundamentales de la naturaleza. La primera demostración de aceleración de electrones en AWAKE se produce solo cinco años después de que el CERN aprobara el proyecto en 2013 y es un primer paso importante hacia la realización de esta visión.

DESPIERTO, que son las siglas de "Advanced WAKEfield Experiment", es un proyecto de I + D de prueba de principio que investiga el uso de protones para impulsar campos de despertador de plasma para acelerar los electrones a energías más altas que las que se pueden lograr utilizando tecnologías convencionales. Los aceleradores tradicionales utilizan lo que se conoce como cavidades de radiofrecuencia (RF) para impulsar los haces de partículas a energías más altas. Esto implica alternar la polaridad eléctrica de zonas cargadas positiva y negativamente dentro de la cavidad de RF, con la combinación de atracción y repulsión acelerando las partículas dentro de la cavidad. Por el contrario, en aceleradores de wakefield, las partículas se aceleran "surfeando" en la parte superior de la onda de plasma (o wakefield) que contiene zonas similares de cargas positivas y negativas.

Los campos de despertador de plasma en sí mismos no son ideas nuevas; se propusieron por primera vez a fines de la década de 1970. "Los aceleradores de Wakefield tienen dos haces diferentes:el haz de partículas que es el objetivo de la aceleración se conoce como 'haz testigo', mientras que el rayo que genera el wakefield en sí mismo se conoce como el 'rayo impulsor', "explica Allen Caldwell, portavoz de la colaboración AWAKE. Los ejemplos anteriores de aceleración de wakefield se han basado en el uso de electrones o láseres para el haz de impulsión. AWAKE es el primer experimento que utiliza protones para el rayo impulsor, y el CERN brinda la oportunidad perfecta para probar el concepto. Los rayos impulsores de protones penetran más profundamente en el plasma que los rayos impulsores de electrones y láseres. "Por lo tanto, "Caldwell agrega, "Los aceleradores de wakefield que dependen de protones para sus haces impulsores pueden acelerar sus haces testigos a una distancia mayor, en consecuencia, permitiéndoles alcanzar energías más elevadas ".

AWAKE obtiene sus protones impulsores del Sincrotrón Super Proton (SPS), que es el último acelerador de la cadena que entrega protones al Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Protones del SPS, viajando con una energía de 400 GeV, se inyectan en una llamada "célula plasmática" de AWAKE, que contiene gas rubidio calentado uniformemente a unos 200 ºC. Estos protones van acompañados de un pulso láser que transforma el gas rubidio en plasma, un estado especial de gas ionizado, expulsando electrones de los átomos del gas. A medida que este rayo impulsor de protones cargados positivamente viaja a través del plasma, hace que los electrones cargados negativamente distribuidos aleatoriamente dentro del plasma oscilen en un patrón ondulado, al igual que un barco que se mueve a través del agua genera oscilaciones a su paso. Los electrones testigos se inyectan entonces en ángulo en este plasma oscilante a energías relativamente bajas y "montan" la onda de plasma para acelerarse. En el otro extremo del plasma, un imán dipolo dobla los electrones entrantes hacia un detector. "El campo magnético del dipolo se puede ajustar para que solo los electrones con una energía específica pasen al detector y den una señal en una ubicación particular dentro de él, "dice Matthew Wing, portavoz adjunto de AWAKE, quien también es responsable de este aparato, conocido como espectrómetro de electrones. "Así es como pudimos determinar que los electrones acelerados alcanzaban una energía de hasta 2 GeV".

La fuerza a la que un acelerador puede acelerar un haz de partículas por unidad de longitud se conoce como su gradiente de aceleración y se mide en voltios por metro (V / m). Cuanto mayor sea el gradiente de aceleración, cuanto más eficaz sea la aceleración. El colisionador grande de electrones y positrones (LEP), que operó en el CERN entre 1989 y 2000, utilizaba cavidades de RF convencionales y tenía un gradiente de aceleración nominal de 6 MV / m. "Al acelerar los electrones a 2 GeV en solo 10 metros, AWAKE ha demostrado que puede alcanzar un gradiente medio de alrededor de 200 MV / m, "dice Edda Gschwendtner, coordinador técnico y líder del proyecto CERN para AWAKE. Gschwendtner y sus colegas pretenden alcanzar un eventual gradiente de aceleración de alrededor de 1000 MV / m (o 1 GV / m).

AWAKE ha progresado rápidamente desde sus inicios. Las obras de ingeniería civil del proyecto se iniciaron en 2014, y la celda de plasma se instaló a principios de 2016 en el túnel que antes utilizaba parte de las instalaciones de CNGS en el CERN. Unos meses después, Los primeros rayos impulsores de protones se inyectaron en la celda de plasma para poner en marcha el aparato experimental. y un wakefield impulsado por protones se observó por primera vez a finales de 2016. A finales de 2017, la fuente de electrones, La línea de haz de electrones y el espectrómetro de electrones se instalaron en las instalaciones de AWAKE para completar la fase preparatoria.

Ahora que han demostrado la capacidad de acelerar electrones utilizando un campo de actividad de plasma impulsado por protones, el equipo de AWAKE mira hacia el futuro. "Nuestros próximos pasos incluyen planes para entregar electrones acelerados a un experimento de física y extender el proyecto con un programa de física completo propio, "señala Patric Muggli, coordinador de física de AWAKE. AWAKE continuará probando la aceleración de wakefield de los electrones durante el resto de 2018, después de lo cual todo el complejo de aceleradores en el CERN se someterá a un cierre de dos años para actualizaciones y mantenimiento. Gschwendtner es optimista:"Esperamos obtener más resultados de nuestro experimento para demostrar el alcance de los campos de despertador de plasma como base para los futuros aceleradores de partículas".