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Al CERN: ottenuta la prima accelerazione di elettroni in un plasma derivato da protoni

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In un articolo pubblicato recentemente sulla rivista Nature, il progetto AWAKE al CERN riporta la prima accelerazione di elettroni con successo utilizzando un’onda generata da protoni che sfrecciano attraverso un plasma. L’accelerazione ottenuta su una data distanza è già parecchie volte superiore a quella delle tecnologie convenzionali attualmente disponibili per gli acceleratori di particelle. Proposto negli anni ’70, l’uso delle onde al plasma (o cosiddette wakefields) ha il potenziale di ridurre drasticamente la dimensione degli acceleratori nei prossimi decenni.

AWAKE, che sta per “Advanced WAKEfield Experiment”, è un progetto di acceleratore compatto proof of concept per accelerare gli elettroni a energie molto elevate su brevi distanze. Accelerare le particelle a maggiori energie su distanze più brevi è cruciale per ottenere collisioni ad alta energia che i fisici usano per sondare le leggi fondamentali della natura, e può anche rivelarsi importante in una vasta gamma di applicazioni industriali e mediche.

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Il plasma è uno stato speciale della materia che può essere indotto ionizzando un gas, cioè espellendo elettroni dagli atomi o dalle molecole del gas. In AWAKE, il rubidio viene riscaldato per convertirlo in un gas e viene quindi ionizzato con un raggio laser. Un fascio di protoni (chiamato fascio di trasmissione) viene iniettato insieme all’impulso laser e fa oscillare il plasma in un modello ondulato, proprio come una nave che si muove attraverso l’acqua genera oscillazioni nella sua scia. AWAKE ottiene i suoi propulsori con un’energia di 400 GeV (miliardi di elettronvolt) dal Super Proton Synchrotron (SPS) del CERN, che è l’ultimo acceleratore della catena che fornisce i protoni all’LHC. Un raggio di elettroni (chiamato il raggio del testimone) viene iniettato con una leggera angolazione nel plasma oscillante e viene accelerato dal “surf” delle onde del plasma.

Il 26 maggio scorso, il progetto AWAKE ha accelerato con successo l’elettrone testimone per la prima volta. Gli elettroni iniettati in AWAKE a energie relativamente basse di circa 19 MeV (milioni di elettronvolt), hanno “cavalcato” l’onda del plasma, e sono stati accelerati di un fattore di circa 100, ad un’energia di quasi 2 GeV (miliardi di elettronvolt) su una lunghezza di 10 metri.

Mentre gli esperimenti precedenti sull’accelerazione del wakefield si sono basati sull’uso di elettroni o laser per guidare la scia, AWAKE è il primo ad usare i protoni. “I raggi guida dei protoni penetrano più in profondità nel plasma rispetto ai fasci di elettroni e laser”, ha dichiarato Allen Caldwell, portavoce di AWAKE. “Pertanto, gli acceleratori di wakefield che si affidano ai protoni per i loro raggi guida possono accelerare gli elettroni per una distanza maggiore, consentendo di conseguenza loro di ottenere energie più elevate.”

“Accelerando gli elettroni a 2 GeV in soli 10 metri, AWAKE ha dimostrato di poter raggiungere una pendenza media di circa 200 MV / m (milioni di volt al metro)”, afferma il coordinatore tecnico e CERN Project Leader per AWAKE, Edda Gschwendtner. Per fare un confronto, le tecnologie convenzionali avanzate considerate per la prossima generazione di acceleratori di elettroni, promettono gradienti nell’intervallo da 30 a 100 MV / m. Questi rappresentano lo stato dell’arte di oggi negli acceleratori di particelle per la distanza complessiva su cui può essere sostenuta l’accelerazione, da un lato, e l’intensità e la qualità dei raggi accelerati, dall’altro. Due importanti fattori richiesti per esperimenti di fisica ad alta energia. Le prossime fasi di AWAKE, che mira a raggiungere 1000 MV / m, includono l’indirizzamento di questi requisiti aggiuntivi.

AWAKE ha fatto rapidi progressi sin dall’inizio. La cellula plasmatica è stata installata nei primi mesi del 2016. Alcuni mesi dopo, i primi fasci di guida dei protoni sono stati iniettati nella cellula plasmatica per la messa in funzione dell’apparato sperimentale e per la prima volta alla fine del 2016 è stato osservato un wakefield guidato da protoni.

 

 

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