Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) près de Genève, La Suisse serait le plus grand accélérateur de particules au monde. L'accélérateur occupe un tunnel de 27 kilomètres de circonférence jusqu'à 175 mètres de profondeur sous la frontière franco-suisse. L'installation a aidé les scientifiques à découvrir le boson de Higgs, la dernière particule prédite par le modèle standard, en 2012.

Suite à la découverte du Higgs, l'un des principaux objectifs scientifiques des physiciens des hautes énergies a été de caractériser ses propriétés et de découvrir d'autres phénomènes de physique des hautes énergies. Par conséquent, il y a eu des développements rapides dans les technologies des accélérateurs de particules à haute énergie pour soutenir la recherche en physique des hautes énergies. Cependant, les technologies utilisées à ce jour ne peuvent être améliorées et étendues qu'à grands frais. Pour cette raison, rendre les accélérateurs à haute énergie plus abordables est un besoin urgent.

Une équipe internationale de physiciens, travaillant sur l'expérience d'accélération de Wakefield Plasma Driven Advanced Proton (AWAKE) au CERN, ont rapporté avoir mené une expérience révolutionnaire démontrant une nouvelle façon d'accélérer les électrons à des énergies élevées, une méthode qui pourrait considérablement réduire la taille des futurs accélérateurs de particules et réduire leurs coûts. Un article décrivant ce résultat important a été publié dans La nature le 29 août, 2018.

AWAKE est une collaboration scientifique internationale composée d'ingénieurs et de scientifiques de 18 instituts, dont le CERN et l'Institut Max Planck de physique en Allemagne. Un groupe de recherche basé à UNIST, dirigé par le professeur Moses Chung du département de physique fait également partie de cette collaboration AWAKE et a apporté un certain nombre de contributions importantes à AWAKE. Cela inclut la conception de lignes de lumière et l'optimisation de l'injection de faisceau d'électrons.

« La technologie d'AWAKE entraînera un changement de paradigme dans le développement des futurs accélérateurs de particules à haute énergie, après le LHC, " explique le professeur Chung. " La dernière réalisation pourrait permettre aux ingénieurs de réduire considérablement la taille des futurs accélérateurs de particules, réduisant les énormes sommes d'argent normalement nécessaires pour les construire. » Il ajoute, « Les collisions de particules à haute énergie produites par ces installations permettent aux physiciens de sonder les lois fondamentales de la nature, fournissant la base d'avancées dans une grande variété de domaines différents."

Typiquement, les expériences de physique des particules utilisent des champs électriques oscillants, appelées cavités radiofréquences, et des aimants puissants pour accélérer les particules à haute énergie. Mais ces expériences doivent devenir assez importantes - elles doivent être, afin d'accélérer les particules avec suffisamment d'énergie pour bien les étudier.

En tant qu'option alternative de réduction des coûts pour accélérer les particules plus efficacement, l'accélérateur Wakefield a été suggéré. Les physiciens envoient un faisceau d'électrons, protons, ou un laser à travers un plasma. Les électrons libres du plasma se déplacent vers le faisceau, mais le dépasser, puis reviens en arrière, créant une structure de bulle derrière le faisceau et des champs électriques intenses. Si vous injectez des particules, comme plus d'électrons, dans le sillage, il peut accélérer les particules injectées en un temps plus court avec un champ électrique 10 fois plus fort.

Dans l'étude, l'accélération du champ de sillage du plasma entraîné par des protons a été démontrée pour la première fois. Les champs électriques puissants, généré par une série de micro-paquets de protons, ont été échantillonnés avec un tas d'électrons. Ces électrons ont été accélérés jusqu'à 2 GeV dans environ 10 m de plasma et mesurés à l'aide d'un spectromètre magnétique. Cette technique a le potentiel d'accélérer les électrons à l'échelle du TeV en une seule étape d'accélération.

Bien qu'encore aux premiers stades de son programme, la collaboration AWAKE a franchi une étape importante sur la voie de la réalisation de nouvelles expériences de physique des particules à haute énergie.