Membre de la collaboration AWAKE, de l'Institut Max Planck, effectuer des tests dans le tunnel souterrain de l'expérience. Crédit :Maximilien Brice/CERN
La collaboration AWAKE a franchi une étape importante; au cours de la dernière semaine d'exploitation de l'accélérateur du CERN en 2016, il a observé une forte modulation des paquets de protons de haute énergie dans le plasma, signalant la génération de champs électromagnétiques très puissants. Il s'agit d'une étape importante vers l'objectif d'utiliser la technique du champ de sillage du plasma entraîné par des protons pour accélérer les électrons.
L'expérience avancée d'accélération de champ de sillage plasma piloté par protons (AWAKE) est la première installation à étudier l'utilisation de champs de sillage plasma pilotés par des faisceaux de protons pour accélérer des particules chargées.
« L'utilisation de paquets de protons pour entraîner des champs de sillage est particulièrement intéressante en raison de la grande énergie transportée par les paquets de protons des accélérateurs SPS et LHC du CERN, " dit Patric Muggli, Coordinateur de physique AWAKE du CERN et de l'Institut Max Planck de physique de Munich. "Cela permet des phases d'accélération beaucoup plus longues que pour les autres techniques, " précise-t-il.
L'installation a été mise en service avec succès entre juin et novembre et l'expérience a recueilli ses premières données au cours de la dernière semaine d'exploitation de l'accélérateur au CERN en 2016.
L'expérience AWAKE injecte un paquet "drive" de protons de l'accélérateur SPS du CERN dans une colonne de plasma créée en ionisant un gaz avec un laser. Lorsque ce groupe interagit avec le plasma, il se divise en une série de grappes plus petites, dans un processus appelé automodulation. Lorsque ces paquets plus courts se déplacent dans le plasma, ils génèrent un champ de sillage puissant. C'est le processus d'automodulation dont l'équipe AWAKE a observé des signaux, et à partir duquel il peut déduire la création du champ de sillage.
Image montrant la simulation de l'interaction entre les paquets de protons (points rouges) et le champ de sillage du plasma (ondes bleues). Crédit :Alexey Petrenko/CERN
L'étape suivante, qu'AWAKE n'a pas encore démontré, est d'injecter un deuxième faisceau d'électrons, le faisceau "témoin", dans la bonne phase derrière le faisceau de protons. Ce faisceau témoin "sent" le champ de sillage et est accéléré, tout comme un surfeur accélère en surfant sur une vague.
L'utilisation du plasma pour accélérer les particules est une alternative potentielle aux méthodes d'accélération traditionnelles qui reposent sur des cavités électromagnétiques radiofréquences. On sait depuis longtemps que les plasmas sont capables de supporter des champs électriques très forts. Le défi pour les chercheurs est de comprendre la meilleure façon de tirer parti de cette capacité afin de créer de futurs accélérateurs de particules compacts et puissants à des coûts raisonnables. Les champs générés par les champs de sillage du plasma entraînés par des faisceaux de protons pourraient être jusqu'à deux ordres de grandeur plus élevés que les champs pouvant être obtenus à l'aide de cavités radiofréquence conventionnelles.
"Avoir observé pour la première fois des indications d'automodulation des paquets de protons, après seulement quelques jours d'essais, c'est une excellente réalisation. C'est grâce à une équipe très motivée et dévouée, " sourit Edda Gschwendtner, Chef de projet et coordinateur technique CERN AWAKE.
"Nous prévoyons maintenant d'étudier ce processus en détail en 2017. Nous espérons alors démontrer l'accélération des électrons dans le sillage du paquet de protons, " ajoute le porte-parole d'AWAKE, Allen Caldwell, de l'Institut de physique Max Planck de Munich.
Ce développement passionnant, l'aboutissement de trois années de préparation intense, ouvre une nouvelle ère de développement d'accélérateurs de particules au CERN et dans le monde.
