Tôt le matin le samedi, 26 mai 2018, la collaboration AWAKE au CERN a accéléré avec succès des électrons pour la première fois en utilisant un champ de sillage généré par des protons passant à travers un plasma. Un article décrivant ce résultat important a été publié dans la revue La nature aujourd'hui. Les électrons ont été accélérés d'un facteur 100 environ sur une longueur de 10 mètres :ils ont été injectés extérieurement dans AWAKE à une énergie d'environ 19 MeV (millions d'électronvolts) et ont atteint une énergie de près de 2 GeV (milliards d'électronvolts). Bien qu'encore à un stade très précoce de développement, l'utilisation de champs de sillage plasma pourrait réduire considérablement les tailles, et donc les frais, des accélérateurs nécessaires pour réaliser les collisions à haute énergie que les physiciens utilisent pour sonder les lois fondamentales de la nature. La première démonstration d'accélération d'électrons dans AWAKE intervient seulement cinq ans après l'approbation du projet par le CERN en 2013 et constitue une première étape importante vers la réalisation de cette vision.

ÉVEILLÉ, qui signifie "Advanced WAKEfield Experiment", est un projet de R&D de preuve de principe étudiant l'utilisation de protons pour entraîner des champs de sillage de plasma pour accélérer les électrons à des énergies plus élevées que celles qui peuvent être obtenues à l'aide des technologies conventionnelles. Les accélérateurs traditionnels utilisent ce que l'on appelle des cavités à radiofréquence (RF) pour envoyer les faisceaux de particules à des énergies plus élevées. Cela implique d'alterner la polarité électrique des zones chargées positivement et négativement à l'intérieur de la cavité RF, avec la combinaison d'attraction et de répulsion accélérant les particules à l'intérieur de la cavité. Par contre, dans les accélérateurs de wakefield, les particules sont accélérées en "surfant" au-dessus de l'onde de plasma (ou champ de sillage) qui contient des zones similaires de charges positives et négatives.

Les champs de sillage plasma eux-mêmes ne sont pas des idées nouvelles; ils ont été proposés pour la première fois à la fin des années 1970. « Les accélérateurs de Wakefield ont deux faisceaux différents :le faisceau de particules qui est la cible de l'accélération est connu sous le nom de « faisceau témoin », tandis que le faisceau qui génère le champ de sillage lui-même est connu sous le nom de « faisceau d'entraînement », " explique Allen Caldwell, porte-parole de la collaboration AWAKE. Des exemples précédents d'accélération de champ de sillage reposaient sur l'utilisation d'électrons ou de lasers pour le faisceau d'entraînement. AWAKE est la première expérience à utiliser des protons pour le faisceau d'entraînement, et le CERN offre l'occasion idéale d'essayer le concept. Les faisceaux moteurs de protons pénètrent plus profondément dans le plasma que les faisceaux moteurs d'électrons et de lasers. "Par conséquent, " Caldwell ajoute, « les accélérateurs de champ de veille reposant sur des protons pour leurs faisceaux d'entraînement peuvent accélérer leurs faisceaux témoins sur une plus grande distance, leur permettant par conséquent d'atteindre des énergies plus élevées."

AWAKE obtient ses protons d'entraînement du Super Synchrotron à Protons (SPS), qui est le dernier accélérateur de la chaîne qui délivre des protons au Large Hadron Collider (LHC). Protons du SPS, voyager avec une énergie de 400 GeV, sont injectés dans une cellule dite "plasma" d'AWAKE, qui contient du gaz rubidium uniformément chauffé à environ 200 ºC. Ces protons sont accompagnés d'une impulsion laser qui transforme le Rubidium gazeux en plasma – un état particulier de gaz ionisé – en éjectant des électrons des atomes du gaz. Lorsque ce faisceau d'entraînement de protons chargés positivement traverse le plasma, il fait osciller les électrons chargés négativement distribués de manière aléatoire dans le plasma selon un motif ondulatoire, un peu comme un navire se déplaçant dans l'eau génère des oscillations dans son sillage. Des électrons témoins sont ensuite injectés sous un angle dans ce plasma oscillant à des énergies relativement basses et « chevauchent » l'onde de plasma pour s'accélérer. A l'autre bout du plasma, un aimant dipolaire plie les électrons entrants sur un détecteur. "Le champ magnétique du dipôle peut être ajusté de sorte que seuls les électrons avec une énergie spécifique passent au détecteur et donnent un signal à un endroit particulier à l'intérieur de celui-ci, " dit Matthew Wing, porte-parole adjoint d'AWAKE, qui est également responsable de cet appareil, connu sous le nom de spectromètre électronique. "C'est ainsi que nous avons pu déterminer que les électrons accélérés atteignaient une énergie allant jusqu'à 2 GeV."

La force à laquelle un accélérateur peut accélérer un faisceau de particules par unité de longueur est connue sous le nom de gradient d'accélération et est mesurée en volts par mètre (V/m). Plus le gradient d'accélération est important, plus l'accélération est efficace. Le grand collisionneur électron-positon (LEP), qui a fonctionné au CERN entre 1989 et 2000, utilisaient des cavités RF conventionnelles et avaient un gradient d'accélération nominal de 6 MV/m. "En accélérant des électrons à 2 GeV en seulement 10 mètres, AWAKE a démontré qu'il peut atteindre une pente moyenne d'environ 200 MV/m, " dit Edda Gschwendtner, coordinateur technique et chef de projet CERN pour AWAKE. Gschwendtner et ses collègues visent à atteindre un gradient d'accélération éventuel d'environ 1000 MV/m (ou 1 GV/m).

AWAKE a fait des progrès rapides depuis sa création. Les travaux de génie civil du projet ont débuté en 2014, et la cellule plasma a été installée début 2016 dans le tunnel anciennement utilisé par une partie de l'installation CNGS du CERN. Quelques mois après, les premiers faisceaux d'entraînement de protons ont été injectés dans la cellule à plasma pour mettre en service le dispositif expérimental, et un champ de sillage protoné a été observé pour la première fois fin 2016. Fin 2017, la source d'électrons, une ligne de faisceau d'électrons et un spectromètre d'électrons ont été installés dans l'installation AWAKE pour terminer la phase préparatoire.

Maintenant qu'ils ont démontré leur capacité à accélérer des électrons à l'aide d'un champ de sillage plasma piloté par des protons, l'équipe AWAKE est tournée vers l'avenir. "Nos prochaines étapes incluent des plans pour fournir des électrons accélérés à une expérience de physique et étendre le projet avec un programme de physique à part entière, " note Patric Muggli, coordinateur de physique pour AWAKE. AWAKE continuera à tester l'accélération du champ de sillage des électrons pour le reste de 2018, après quoi l'ensemble du complexe d'accélérateurs du CERN subira un arrêt de deux ans pour des mises à niveau et des opérations de maintenance. Gschwendtner est optimiste :« Nous attendons avec impatience d'obtenir plus de résultats de notre expérience pour démontrer la portée des champs de sillage du plasma comme base pour les futurs accélérateurs de particules.