Im AWAKE-Experiment wurde ein neues Elektronenbeschleunigungsschema getestet • Igor Ivanov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Physik, Beschleunigungs- und Detektionstechnologien, Wissenschaft in Russland

Das AWAKE-Experiment testete ein neues Elektronenbeschleunigungsschema.

Abb. 1. Vorbereitung des AWAKE-Experiments am CERN. Fotos von home.cern

Die Idee der Elektronenbeschleunigung durch ein starkes elektrisches Feld in einer Plasmablase verspricht eine Revolution in der Beschleunigerphysik. Im Prinzip wurde diese Technik bereits im Experiment verwendet, aber die darauf basierenden wirklich funktionierenden Beschleuniger sind noch sehr weit entfernt. In jüngster Zeit hat das AWAKE-Experiment am CERN einen großen Schritt in diese Richtung gemacht. Eine stabile, reproduzierbare Beschleunigung der Elektronen von Zeit zu Zeit wurde in einer rekordgroßen Plasmazelle demonstriert, wobei lange Protonenbündel verwendet wurden, die ursprünglich nicht für diesen Zweck vorgesehen waren. Das Wachfieber entwickelt sich allmählich von einem technologischen Wunder zu einer stromlinienförmigen Technologie.

Reite die Welle

Der Large Hadron Collider hat noch keine direkten Beweise für Phänomene jenseits des Standardmodells gefunden. Dies zwingt die Physiker dazu, neue Beschleuniger zu planen, um noch tiefer in das Wissen der Mikrowelt vorzudringen (siehe: Wohin bewegt sich die Teilchenphysik im nächsten Jahrzehnt?, Elements, 20.08.2018). Unglücklicherweise werden diese Beschleuniger sehr groß sein, einige zehn Kilometer groß und daher unvermeidlich sehr teuer.Zum Beispiel ist es in einem linearen Elektron-Positron-Collider geplant, Partikel durch ein starkes elektrisches Feld auf einer geradlinigen Trajektorie zu beschleunigen. Dies kann mit Hilfe einer stehenden elektromagnetischen Welle in einem speziellen supraleitenden Metallresonator erfolgen. Es gibt jedoch eine Grenze: Das elektrische Feld ist stärker als ein paar Dutzend Megavolt pro Meter kann nicht erhalten werden. Wenn wir Elektronen auf Energien von 250 GeV beschleunigen wollen, wird eine Potentialdifferenz von 250 Gigawolt benötigt, was bedeutet, dass wir einen Beschleunigerabschnitt von mindestens 10 km für Elektronen und dasselbe für Positronen bauen müssen.

Eine bahnbrechende Lösung für das Problem der schnellen Elektronenbeschleunigung kann eine grundlegend andere Idee sein – Wake-to-Acceleration im Plasma (siehe FAQ: Laser-Plasma-Beschleuniger, Postnauka). In diesem Schema wird das superstarke elektrische Feld nicht in einer Metallstruktur erzeugt, die es sowieso nicht aufrecht erhält, sondern in einem Plasma, genauer gesagt in einer kleinen Plasma-Oszillationsblase, die sich vorwärts bewegt. Diese Blase kann erzeugt werden, indem ein Treiber in ein Plasma gestartet wird – ein superstarker Laserpuls oder ein kompakter Partikelcluster. Der Treiber regt im Plasma eine starke transversale Schwingung von Elektronen an,das in der Verdünnungsphase wie ein positiv geladenes Fläschchen mit einer negativ geladenen Hinterwand aussieht (Abb. 2). Das Elektronengerinnsel fliegt in diese Phiole, befindet sich darin in der Nähe der Rückwand, in dem Feld, das das Feld nach vorne drückt, und beschleunigt, wie auf der Welle, in kurzer Zeit auf hohe Energien. (Weitere Einzelheiten zu diesem Beschleunigungsmechanismus finden sich in Artyom Korzhimanovs populärem Vortrag. Auf dem Kamm einer Plasmawelle für präzise Bioabbildung und in einem Vortrag von Konstantin Lotov. Die Wirbelbeschleunigung von Teilchen in einem Plasma.)

Abb. 2 Die Idee der Wakefield-Beschleunigung. Ein kurzes Teilchenbündel fliegt in das Plasma, löst darin Elektronendichte-Schwingungen aus und erzeugt eine Plasmablase, in deren Nähe ein sehr starkes elektrisches Feld entsteht. Abbildung aus hep.ucl.ac.uk

Dieser Prozess sieht sehr kompliziert aus, aber Wake-to-Side-Beschleunigung funktioniert wirklich. Im Jahr 2006 wurde die Beschleunigung von Elektronen auf eine Energie von 1 GeV über eine Länge von etwas über 3 cm demonstriert, was einem Beschleunigungsfeld von 30 GV / m entspricht (siehe: Plasmabeschleuniger durchbrach die 1 GeV-Markierung, Elements, 29. September 2006).Diese Errungenschaft eröffnet schwindelerregende Perspektiven: Schließlich kann der gleiche 500 GeV Elektron-Positron-Collider scheinbar hundert Meter passen! Ach, nicht so einfach. Erstens, bis jetzt wurde die Wakefield-Beschleunigungstechnik nur in Plasmazellen von der Größe von Zentimetern gezeigt. Obwohl das Schema versucht, mehrere Plasmazellen miteinander zu verschmelzen (ein Laser-Plasma-Beschleuniger der neuen Generation, Elements, erstellt am 17. August 2011), ist es immer noch sehr weit von den Abmessungen des Messgeräts entfernt. Zweitens sollte der Beschleuniger weder im Raum noch in den Divergenzwinkeln oder in der Energie zu sehr ein Bündel beschleunigter Teilchen verschmieren, und dies ist nicht leicht zu erreichen.

Obwohl die Idee im Prinzip umgesetzt wurde, ist sie im Allgemeinen immer noch sehr weit von dem darauf aufbauenden aktuellen Accelerator entfernt.

Vor einigen Jahren begann am CERN die Arbeit am wegweisenden Experiment von AWAKE. Sein Ziel sollte es sein, diese kühne Idee in eine zuverlässige, stabile Arbeitstechnologie zu verwandeln. Die Hauptinnovation von AWAKE ist das ursprüngliche Beschleunigungsschema, bei dem der Treiber (Protonenbündel) zuerst selbst eine Transformation durchlaufen muss, um mit der Beschleunigung der Elektronen zu beginnen (siehe unten).Eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Experiments spielten die Mitarbeiter des GI Budker Instituts für Kernphysik (siehe Pressemitteilung des INP). Im Jahr 2016 kam die Arbeit ins Ziel, die Anlage funktionierte, und im Mai dieses Jahres wurden die ersten Experimente durchgeführt, die die Leistung der Idee bestätigten. Laut einem kürzlich in einer Zeitschrift veröffentlichten Artikel über die Zusammenarbeit NaturIn einer zehn Meter (!) Plasmazelle wurde eine erfolgreiche stetige Beschleunigung von Elektronen von 19 MeV auf 2 GeV demonstriert.

Details des Experiments

Obwohl die Wake-Acceleration-Methode bereits früher demonstriert wurde – und mit einem viel größeren Beschleunigungsgradienten als jetzt -, ist das AWAKE-Experiment ein großer Schritt vorwärts. Erstens ist das darin verwendete Wakebeschleunigungsschema einerseits komplizierter als üblich, andererseits ist es jedoch viel weniger anspruchsvoll für den Protonenbündeltreiber. Es erforderte die koordinierte Arbeit von nicht zwei, sondern sofort drei Arten äußerer Einflüsse: ein Laserpuls, ein Protonenbündel und Elektronen. Damit können nun bereits fertige Protonenpakete aus dem SPS-Beschleuniger für die Beschleunigung genutzt werden, die zu diesem Zweck noch nicht einmal für diesen Zweck ausgelegt waren.

Zweitens sind die ersten Ergebnisse solch eines heiklen Experiments bereits beeindruckend mit ihrer Reinheit und Reproduzierbarkeit. Sie zeigen eine ausgezeichnete stabile Beschleunigung bei minimaler Energieverteilung, ausgezeichnete Kontrolle und eine beneidenswerte Wiederholbarkeit des Experiments. Und wenn die Ergebnisse der Vorgängerexperimente wie eine einmalige Leistung aussehen, fast wie ein Wunder, dann ähnelt die AWAKE-Installation einem professionell zusammengesetzten, stromlinienförmigen, zuverlässig funktionierenden Mechanismus.

Nach diesem emotionalen Kommentar gehen wir zur Beschreibung des Experiments über (Abb. 3). Die "Aktionsarena" im AWAKE-Experiment ist eine lange 10-Meter-Plasmazelle, die mit Rubidiumdämpfen gefüllt ist, die bei Erhitzung zwei Tanks an beiden Enden der Zelle abgeben. Durch Variation der Heiztemperatur von 160 bis 210 ° C können Physiker eine Dampfdichte im Bereich von 10 halten14-1015 sehen−3.

Abb. 3 Gesamtansicht des AWAKE-Experiments. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Natur

Drei Prozessbeteiligte treffen gleichzeitig am Zelleneingang ein: ein kurzer Laserpuls, ein langer Protonenbündeltreiber und Elektronen, die beschleunigt werden müssen (Abb. 4). Was danach mit ihnen passiert, gleicht einem harmonischen Tanz von Elementarteilchen.Das Protonenbündel des CPS SPS-Beschleunigers ist stark genug: 250-300 Milliarden Protonen mit einer Energie von 400 GeV. Es kann jedoch selbst nicht die Schwingungen auslösen, die für die Nachlaufbeschleunigung notwendig sind. Erstens, weil es nicht in das Plasma gelangt, sondern in ein schwach ionisiertes Gas, und zweitens, weil es zu lang ist.

Abb. 4 Links unten in Abb. 3 Nahaufnahmen. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Natur

Ein kurzer und starker Laserpuls kommt dem Protonenbündel zu Hilfe. Es konzentriert sich auf einen ziemlich großen transversalen Punkt von etwa 1 mm Größe (das Protonenbündel hat zum Vergleich eine Dicke von 0,2 mm). In Längsrichtung beträgt seine Länge nur 1/30 mm, so dass dieser Lichtimpuls die Form eines "Pfannkuchens" hat, wie in Fig. 3 gezeigt. 4. Dieser Puls ionisiert die Rubidiumatome und wandelt den anfänglichen Atomdampf in ein Plasma mit ungefähr der gleichen Elektronenkonzentration um, aber er löst die Oszillation im Plasma selbst nicht aus. Dieser Impuls fliegt mit dem Protonenbündel mit und "durchbohrt" ihn wegen der kleinen Winkeldivergenz durch den Plasmakanal in der ganzen Zelle.

Der Teil des langen Protonenbündels, der hinter dem Laser- "Pfannkuchen" liegt, fliegt bereits durch das Plasma.Protonen lösen eine Plasmaoszillation aus, Elektronen beginnen zu divergieren und konvergieren in der transversalen Richtung, was wiederum die fliegenden Protonen beeinflusst und veranlasst, dass sie sich entsprechend dieser Oszillationen zusammen gruppieren. Ein bemerkenswertes Phänomen tritt auf – die Entstehung einer Mikrostruktur (Mikrobunching) im anfangs glatten langen Protonenbündel (Abb. 5). Es ist in einzelne Microbunches unterteilt, die sich an einer genau definierten Stelle der Elektronenblase befinden und ohne Beschädigung entlang einer Multimeterzelle fliegen (siehe Video mit der Simulation dieses Prozesses). Die Periode dieser Struktur ist 1-3 mm und hängt von der Periode der Plasmaoszillationen ab; Es kann durch Ändern der Dichte von Rubidiumdampf angepasst werden.

Abb. 5 Spontanes Aufspalten des Protonenstrahls in Mikroben in einem Plasma. Abbildung aus dem Bericht von S. Geßner, 2017. AWAKE: Das Protonenstrahl-getriebene Plasma-Wakefield-Experiment

Dieser Prozess und die Stabilität der resultierenden Struktur ist das wichtigste physikalische Highlight des Experiments. Hinweis: Protonen fliegen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit vorwärts. Elektronen in einem Plasma fliegen nicht viel, sie oszillieren hauptsächlich in der transversalen Ebene. Aber die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen diesen Teilchen führt zu einem stabilen kumulativen Effekt: Im Referenzrahmen, der die Protonen begleitet, erweist sich die Struktur als extrem stabil.Darüber hinaus ist es so stabil, dass es relativistische Elektronen unbeschadet aufnehmen und stationär beschleunigen kann.

Es war jedoch nicht ohne technische Tricks. Die Autoren des Artikels berichten, dass sie gelernt haben, diese Struktur weiter zu stabilisieren. Wenn zwei Quellen von Rubidium an den Enden der Zelle auf unterschiedliche Temperaturen erhitzt werden, dann wird ein Dichtegradient in der Zelle entstehen: es wird allmählich von dem heißeren Ende zu dem kälteren Ende abnehmen. In einer solchen Umgebung werden Plasmablasen allmählich größer, was Instabilitäten unterdrückt. Die AWAKE Collaboration verspricht Einzelheiten zu diesem Prozess in einem separaten Artikel.

Wenn die Plasmablasen bereits genug gebildet sind und den Protonenstrahl in stabile Mikrokerne gebrochen haben, ist die Plasmaprotonstruktur, die durch die Zelle fliegt, bereit, Elektronen aufzunehmen. Sie werden gleichzeitig mit einem Laserpuls und einem Protonenbündel in den Aufbau gebracht, jedoch mit einer Verzögerung von 200 Pikosekunden gegenüber dem Laser- "Pfannkuchen". Dies entspricht mehreren Dutzend Größen von Plasmablasen, die dem Plasma Zeit geben, eine stabile Struktur zu bilden.Das Elektronengerinnsel fliegt schräg in die Zelle: nicht direkt entlang der Achse, sondern leicht seitlich und in einem leichten Winkel. Seine Bahn schneidet die Achse der Zelle in einer Entfernung von 2 Metern vom Eingang – und hier werden Elektronen in separate Plasmablasen eingefangen. Beachten Sie, dass alle Teilnehmer an diesem Prozess, einschließlich der Anfangselektronen mit einer bescheidenen Injektionsenergie von 19 MeV, sich bereits mit einer Geschwindigkeit bewegen, die der Lichtgeschwindigkeit nahe kommt. Daher hat die Beschleunigung von Elektronen praktisch keinen Einfluss auf ihre Geschwindigkeit. Die Elektronen, die die Wake Wave "satteln", fliegen stationär relativ zum Blasenzustand und akkumulieren aufgrund des starken elektrischen Feldes im Inneren einfach Energie.

Am Ausgang der Zelle durchlaufen die Elektronen und der Protonenstrahl ein System von Diagnosemonitoren. Es enthält mehrere Elemente, die entworfen wurden, um die Mikrostruktur des Protonenstrahls zu überprüfen und um die Energie beschleunigter Elektronen zu messen. Diese Schlüsselmessung ist sehr elegant. Ein Magnet ist im Strahlengang platziert, der Elektronen in einem Winkel ablenkt, der von ihrer Energie abhängt. Protonen reagieren auf dieses Feld fast nicht, da ihr Impuls viel größer ist als der elektronische.Die abweichenden Elektronen fallen auf einen breiten, ein Meter breiten Szintillationsschirm. Ihre Position auf dem Bildschirm zeigt direkt ihre Energie an (Abb. 3 oben rechts). Einfach und geschmackvoll.

Erste Ergebnisse

In Abb. 6 zeigt ein typisches Ergebnis einer einzelnen "Schuss" -Installation. Das Elektronenbündel hinterließ auf dem Schirm eine kompakte Spur, deren Zentrum, wenn man auf die Elektronenenergie zählte, auf 800 MeV abfiel. Die Energievariation ist, aber ziemlich moderat, innerhalb von 10%.

Abb. 6 Oben: verfolgen auf dem Diagnosebildschirm aus dem beschleunigten Elektronenbündel. Unten: die Verteilung der Signalintensität in der horizontalen Koordinate, umgewandelt in die Energie von Elektronen. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Natur

Vielleicht noch wichtiger ist, dass das Ergebnis der Beschleunigung von Schuss zu Schuss wiederholt wird. In Abb. 7 zeigt die Ergebnisse von fast zweihundert "Schüssen", die während einer zweistündigen Sitzung durchgeführt wurden. Die Prozessparameter wurden konstant gehalten und, wie in der Figur zu sehen ist, zeigten alle horizontalen Streifen eine maximale Intensität von ungefähr der gleichen Energie. So wird der Beschleunigungsprozess trotz der subtilen physikalischen Effekte perfekt reproduziert.

Abb. 7 Horizontale Signalverteilungen für fast 200 "Shots" mit den gleichen Setup-Parametern. Jeder schmale Streifen entspricht einem separaten "Schuss". Bild aus dem Artikel in der Diskussion Natur

Was die Energie betrifft, auf die Elektronen beschleunigt werden, sind die Ergebnisse auf den ersten Blick nicht besonders beeindruckend. Die maximal erreichte Energie betrug etwa 2 GeV – und das an einer Stelle, die 10 Meter lang ist. Aber vor 10 Jahren konnten wir Elektronen in einer Entfernung von nur 3,3 cm auf eine Energie von 1 GeV beschleunigen! Aber diese Diskrepanz der Zahlen sollte nicht entmutigt werden. Vergangene Experimente waren nur in der Größe begrenzt. Physiker konnten einfach nicht die gleiche ultraschnelle Beschleunigung über eine längere Distanz erreichen und fanden sogar heraus, wie man mehrere Zentimeter große Plasmazellen koppelt. Das AWAKE-Experiment überwand diese Einschränkungen und implementierte den Beschleunigungsprozess sofort in einer Multimeterzelle.

Der zweite wichtige Punkt: Die Experten von AWAKE sind sich bewusst, welche Parameter die maximal erreichbare Energie in dieser Anlage bestimmen. Zuallererst ist es die Plasmadichte: Je höher sie ist, desto kompakter sind die Plasmablasen und desto stärker ist das elektrische Feld im Inneren.Zweitens stellte sich heraus, dass selbst ein kleiner, nur ein paar Prozent, Dichteabfall vom Anfang bis zum Ende der Zelle – der, der die Blasen stabilisiert – die Elektronenenergie am Ausgang signifikant erhöht. Vor der Durchführung der Experimente führten die Physiker natürlich eine gründliche numerische Simulation des Beschleunigungsprozesses durch, und ihre Ergebnisse wurden vollständig durch experimentelle Daten bestätigt.

Im Prinzip ist es möglich, die Energie weiter zu erhöhen, aber dies wird immer noch durch eine andere Schwierigkeit behindert. Wenn ein Elektronenbündel in den Bereich der Nachlaufwelle eintritt und darin fällt, werden nicht alle Elektronen in Plasmablasen eingefangen. Auch für die schönen Bilder in Abb. In den 6 und 7 betrug die Einfangeffizienz nur 0,1%. Mit steigender Dichte und damit steigender Energie sinkt die Effizienz nur noch: Für kleine Plasmablasen ist es schwieriger, Elektronen einzufangen. Aber dieses Problem sieht nicht kritisch aus. Physiker haben eine große Freiheit beim Manöver, wie man ein Elektronenbündel startet: in welchem ​​Winkel, mit welcher Verzögerung und so weiter. Zukünftig werden die Forscher die Abhängigkeit der Erfassungseffizienz von all diesen Parametern sorgfältig prüfen und die optimale Konfiguration auswählen.

In jedem Fall ist das nur der Anfang – und der Anfang ist vielversprechend.Die AWAKE-Kollaboration erwartet dieses Jahr erstmals, dieses Beschleunigungsschema für eine so lange Zelle erstmals zu demonstrieren – und konnte dies. Der Prozess des spontanen Entstehens der Mikrostruktur des Protonenstrahls wird gezähmt. Die Beschleunigung ist eingeschaltet, die Ergebnisse sind gut reproduzierbar und stimmen mit der numerischen Simulation überein. Die kritische Phase ist vorbei, und die Physiker öffnen nun ein großes Betätigungsfeld, um nach dem optimalen Beschleunigungsmodus zu suchen.

Quelle: E. Aldi et al. (AWAKE Coll.). Beschleunigung von Elektronen in einem Plasma-Wakefield eines Protonenbündels // Natur. 2018. DOI: 10.1038 / s41586-018-0485-4. Der Artikel ist frei verfügbar und auch als arXiv Preprint erhältlich: 1808.09759 [physics.acc-ph].

Siehe auch:
1) C. Joshi, 2006. Plasma-Booster.
2) A. Saveliev-Trofimow. Laser-Plasma-Beschleuniger.
3) I. Ivanov, 2009. Plasma-Elektronenbeschleuniger bis zu TeV-Energien.

Igor Iwanow


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