La imagen resume uno de los puntos importantes del documento:que el grupo de electrones inicia la automodulación del grupo de protones (la sincronización del tren de micro-grupos es reproducible de un evento a otro) y que cuando se retrasa la sincronización del grupo de electrones, la sincronización de la modulación se retrasa en la misma cantidad. En la figura inferior, el grupo de electrones se retrasa 7ps, al igual que la sincronización del tren de microgrupos. Crédito:Colaboración AWAKE.
El experimento WAKEfield avanzado (AWAKE) es un gran experimento llevado a cabo en el CERN que investiga la aceleración del campo de estela de plasma. Es el primer esfuerzo de investigación en este campo que utiliza un grupo de protones relativistas como impulsor de campos de estela de plasma para acelerar los electrones testigo a altas energías.
El uso de un grupo de protones tiene numerosas ventajas para los experimentos de aceleración de plasma. En particular, permite a los investigadores mantener un gran gradiente de aceleración en largas distancias, sin tener que dividir el acelerador en varias secciones diferentes.
La colaboración AWAKE, el grupo de investigadores involucrados en el experimento AWAKE, incluye a más de 100 ingenieros y físicos de 23 institutos diferentes en todo el mundo. En un artículo reciente publicado en Physical Review Letters , este gran equipo de científicos muestra que la automodulación de un grupo de protones se puede controlar sembrando la inestabilidad.
"Los grupos de protones disponibles son mucho más largos que la longitud de onda típica del plasma", dijo a Phys.org Livio Verra, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Para generar wakefields de gran amplitud, confiamos en la inestabilidad de automodulación del grupo en el plasma. Este proceso transforma el grupo largo en un tren de microgrupos, espaciados por el período de los wakefields, que impulsan wakefields de gran amplitud".
Para garantizar que el proceso de automodulación del grupo de protones sea reproducible y pueda controlarse con altos niveles de precisión, es necesario "sembrar" la inestabilidad del grupo. En sus estudios anteriores, los investigadores lograron esto encendiendo el plasma dentro del grupo de protones usando un pulso láser.
A pesar de sus resultados prometedores, encontraron que este método tenía la importante limitación de modular solo una fracción del grupo de protones.
"En nuestro nuevo artículo, mostramos que la automodulación se puede sembrar utilizando los campos de estela impulsados por un grupo de electrones anterior", explicó Verra. "En este caso, todo el grupo de protones se automodula de forma controlada y reproducible, lo que supone un hito importante para el futuro del experimento".
En el contexto de los aceleradores de campo de estela de plasma impulsados por protones, el proceso de automodulación es esencialmente una inestabilidad, donde la amplitud de los campos de estela en el plasma crece a lo largo del grupo de protones y a lo largo del plasma. El crecimiento de esta automodulación está determinado por dos parámetros clave, a saber, la amplitud de los wakefields de semillas, que define el valor inicial de los campos, y la tasa de crecimiento, que define qué tan rápido crece la inestabilidad.
"Al sembrar la automodulación con el grupo de electrones anterior, desenredamos estos dos parámetros, con los que siempre se correlacionan otros métodos de siembra", dijo Verra. "Esto significa que los parámetros del grupo de electrones semilla definen la amplitud de los campos de estela semilla y los parámetros del grupo de protones definen la tasa de crecimiento de la inestabilidad".
Usando el enfoque presentado en su artículo, Verra y sus colegas pudieron controlar de forma independiente el crecimiento de la automodulación de un grupo de protones en el acelerador de partículas de plasma del CERN usando dos "perillas" distintas. Estos son esencialmente los dos parámetros clave que definen el crecimiento de la automodulación.
El trabajo reciente de este equipo de investigadores muestra que todo el grupo de protones en su acelerador de partículas de plasma se automodula de manera reproducible. Este hallazgo crucial podría allanar el camino para un nuevo diseño experimental en la aceleración del campo de estela de plasma impulsada por protones, que se basa en dos plasmas separados.
Uno de estos plasmas estaría específicamente involucrado en el proceso de automodulación, mientras que el otro en la aceleración de electrones. Estos dos plasmas estarán separados por una región de separación, donde se produce la inyección del grupo de electrones testigo.
"Dado que el segundo plasma se formará previamente, todo el grupo de protones debe automodularse", dijo Verra. "Además, mostrar el control de una inestabilidad es un importante resultado de la física independiente, que podría extenderse a otros temas particulares en la física del plasma".
Since the beginning of 2022, the AWAKE collaboration has been conducting several studies focusing on the seeding of the self-modulation instability in plasma using an electron bunch. Currently, they are specifically exploring their method's tolerances in terms of the spatial and timing alignment between beams.
"The questions we are trying to address are:how far from each another in transverse position can the electron and proton beams be injected, without destructive instabilities to occur?" Verra added. "And:how far ahead the electron bunch needs to be injected with respect to the proton bunch for seeding effectively? In 2023–2024, we are going to study the effect of a plasma density step on the self-modulation and on the amplitude of the wakefields, and afterwards we will modify the experiment to accommodate the second plasma for the acceleration experiment."
The team's ultimate goal will be that of delivering high-quality and high-energy electron bunches within particle physics experiments. Their next studies will take further steps in this direction.
© 2022 Red Ciencia X AWAKE sows seeds of controlled particle acceleration using plasma wakefields
