Du tunnel qui abritait l'installation désormais à la retraite des neutrinos du CERN au Gran Sasso (CNGS), AWAKE (Advanced Wakefield Experiment) cherche à révolutionner le domaine de l'accélération des particules. La collaboration, forte de 23 instituts, vise à introduire une alternative viable et plus efficace à l'accélération radiofréquence traditionnelle - avec des particules chargées (dans ce cas, des électrons) "surfant" sur les ondes d'un champ de plasma (ou "champ de sillage") généré par un paquet de protons court et intense projeté à travers le plasma.

Alors qu'il a été démontré que les champs de sillage de plasma produisent des gradients d'accélération jusqu'à 1000 fois supérieurs à ceux obtenus avec des cavités radiofréquences, leur utilisation dans les expériences de physique des hautes énergies et des particules a été limitée par la nature peu pratique des techniques actuelles, qui nécessitent la juxtaposition de plusieurs plasmas. sources pour atteindre de hautes énergies. AWAKE, d'autre part, est la première expérience à étudier l'utilisation de protons, plutôt que de lasers ou de faisceaux d'électrons, pour piloter le plasma.

Pour créer les champs de sillage appropriés dans le plasma pour une accélération efficace des électrons, le long faisceau de protons extrait vers AWAKE du super synchrotron à protons (SPS) du CERN doit être divisé en paquets plus petits dans un processus connu sous le nom de modulation. Dans une lettre d'examen physique Dans un article publié le 6 juillet, la collaboration a montré comment une telle modulation du faisceau de protons peut être contrôlée en ensemençant le processus avec des électrons relativistes :une étape cruciale vers un accélérateur fonctionnel basé sur le champ de sillage.

Pour saisir le concept de seeding, il est nécessaire de se plonger dans la technologie derrière AWAKE. Le faisceau de protons du SPS est injecté dans une source de vapeur contenant du rubidium, qui est transformé en plasma (un état de gaz ionisé) par une impulsion laser qui précède le paquet de protons. Un court paquet d'électrons peut ensuite être injecté dans le sillage du proton pour être accéléré à haute énergie. Pour que les électrons chevauchent efficacement les ondes du plasma, la longueur du paquet de protons doit être égale à la longueur d'onde du plasma. Heureusement, le long faisceau de protons du SPS se décompose automatiquement en si petits paquets lorsqu'il se propage à travers le plasma (il "s'auto-module"), ce qui a permis à AWAKE de démontrer la première accélération d'électrons à l'aide de cette technique en 2018.

"Pour préserver la reproductibilité de l'ensemble du faisceau de protons modulé, et donc sa capacité à accélérer les électrons, nous avons imaginé une technique pour contrôler exactement le moment où la modulation commence :nous l'ensemençons avec un paquet d'électrons initial, différent de celui qui est ciblé pour l'accélération. En injectant ce paquet plusieurs centaines de picosecondes avant que les protons n'entrent dans le plasma, le front du faisceau de protons se module en synchronisation, créant un champ de sillage régulier dont la phase peut être mesurée avec précision », explique Livio Verra, physicien au Lepton Accelerators and Facilities (ABP-LAF) du département Poutres et premier auteur de l'article. L'injection du paquet d'électrons dont l'expérience vise l'accélération peut alors être parfaitement chronométrée. L'accélération devient alors durable et maîtrisée, produisant une pente globale sans précédent.

Edda Gschwendtner, chef du projet AWAKE au CERN, envisage l'avenir avec optimisme :"Le succès ultime de la technologie de champ de sillage développée par AWAKE repose sur la faisabilité de l'ensemencement de l'automodulation du paquet de protons. Cette étape étant désormais franchie, la collaboration est prêt à relever nos prochains défis, à commencer par la mise en service d'une nouvelle source de plasma."

Cette source, qui est développée par l'Institut Max Planck de Munich, en Allemagne, générera un plasma avec deux régions de densité différente (et donc de température différente), ce qui augmentera encore le gradient d'accélération global par rapport à celui obtenu jusqu'à présent. L'introduction d'une nouvelle source de plasma n'est qu'un aspect du riche programme d'études à réaliser lors de la deuxième campagne de physique d'AWAKE.

Le Long Shutdown 3 du CERN verra le démantèlement des derniers composants restants de l'installation CNGS. AWAKE prévoit de tirer le meilleur parti de cette opportunité, en utilisant l'espace libéré pour les prochaines phases de l'expérience. Ces phases se concentreront sur l'accélération des électrons à haute énergie tout en préservant la qualité du faisceau, condition sine qua non pour les futures applications en physique des particules.

En parallèle, la collaboration continuera à développer des technologies de source de plasma évolutives, telles que les cellules plasma à décharge et à hélicon, qui sont essentielles pour augmenter la portée énergétique finale. Une fois que ces technologies auront été validées et que l'accélération contrôlée des électrons aura été démontrée, cela ouvrira la porte à de futures applications à haute énergie, telles que des expériences à cible fixe à la recherche de matière noire. + Explorer plus loin

Le concept "Awake" synchronise les paquets de protons