L'image résume l'un des points importants de l'article :que le paquet d'électrons amorce l'auto-modulation du paquet de protons (la synchronisation du train de micro-paquets est reproductible d'un événement à l'autre) et qu'en retardant la synchronisation du paquet d'électrons, la synchronisation de la modulation est retardée de la même quantité. Dans la figure du bas, le paquet d'électrons est retardé de 7ps, tout comme la synchronisation du train de micro-paquets. Crédit :Collaboration AWAKE.
L'Advanced WAKEfield Experiment (AWAKE) est une vaste expérience menée au CERN qui étudie l'accélération du champ de sillage du plasma. Il s'agit du premier effort de recherche dans ce domaine à utiliser un paquet de protons relativistes comme pilote de champs de sillage de plasma pour accélérer les électrons témoins à des énergies élevées.
L'utilisation d'un paquet de protons présente de nombreux avantages pour les expériences d'accélération de plasma. Plus particulièrement, il permet aux chercheurs de maintenir un grand gradient d'accélération sur de longues distances, sans avoir à diviser l'accélérateur en plusieurs sections différentes.
La collaboration AWAKE, le groupe de chercheurs impliqués dans l'expérience AWAKE, comprend plus de 100 ingénieurs et physiciens de 23 instituts différents dans le monde. Dans un article récent publié dans Physical Review Letters , cette grande équipe de scientifiques montre que l'automodulation d'un paquet de protons peut être contrôlée en ensemençant l'instabilité.
"Les paquets de protons disponibles sont beaucoup plus longs que la longueur d'onde typique du plasma", a déclaré Livio Verra, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à Phys.org. "Pour piloter des champs de sillage de grande amplitude, nous nous appuyons sur l'instabilité d'auto-modulation du paquet dans le plasma. Ce processus transforme le long paquet en un train de micro-paquets, espacés par la période des champs de sillage, qui entraînent des champs de sillage de grande amplitude."
Pour s'assurer que le processus d'auto-modulation du paquet de protons est reproductible et peut être contrôlé avec des niveaux de précision élevés, l'instabilité du paquet doit être "ensemencée". Dans leurs études précédentes, les chercheurs y sont parvenus en activant le plasma dans le paquet de protons à l'aide d'une impulsion laser.
Malgré leurs résultats prometteurs, ils ont découvert que cette méthode présentait la limitation importante de ne moduler qu'une fraction du paquet de protons.
"Dans notre nouvel article, nous montrons que l'auto-modulation peut être ensemencée à l'aide des champs de sillage entraînés par un groupe d'électrons précédent", a expliqué Verra. "Dans ce cas, l'ensemble du paquet de protons s'auto-module de manière contrôlée et reproductible, c'est une étape importante pour l'avenir de l'expérience."
Dans le contexte des accélérateurs de champ de sillage plasma pilotés par protons, le processus d'auto-modulation est essentiellement une instabilité, où l'amplitude des champs de sillage dans le plasma augmente le long du paquet de protons et le long du plasma. La croissance de cette auto-modulation est déterminée par deux paramètres clés, à savoir l'amplitude des champs de sillage des graines, qui définit la valeur de départ des champs, et le taux de croissance, qui définit la vitesse à laquelle l'instabilité augmente.
"En ensemençant l'auto-modulation avec le groupe d'électrons précédent, nous démêlons ces deux paramètres, avec lesquels d'autres méthodes d'ensemencement sont toujours corrélées", a déclaré Verra. "Cela signifie que les paramètres du paquet d'électrons germes définissent l'amplitude des champs de sillage des germes et que les paramètres du paquet de protons définissent le taux de croissance de l'instabilité."
En utilisant l'approche présentée dans leur article, Verra et ses collègues ont pu contrôler indépendamment la croissance de l'automodulation d'un paquet de protons dans l'accélérateur de particules de plasma du CERN à l'aide de deux "boutons" distincts. Ce sont essentiellement les deux paramètres clés qui définissent la croissance de l'auto-modulation.
Les travaux récents de cette équipe de chercheurs montrent que l'ensemble du paquet de protons dans leur accélérateur de particules plasma s'auto-module de manière reproductible. Cette découverte cruciale pourrait ouvrir la voie à une nouvelle conception expérimentale de l'accélération du champ de sillage du plasma pilotée par les protons, qui repose sur deux plasmas distincts.
L'un de ces plasmas serait spécifiquement impliqué dans le processus d'automodulation, tandis que l'autre dans l'accélération des électrons. Ces deux plasmas seront séparés par une région de gap, où se produit l'injection du paquet d'électrons témoins.
"Étant donné que le deuxième plasma sera préformé, l'ensemble du paquet de protons doit être auto-modulé", a déclaré Verra. "Moreover, showing the control of an instability is an important standalone physics result, that could be extended to other particular subjects in plasma physics."
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 Réseau Science X AWAKE sows seeds of controlled particle acceleration using plasma wakefields
