Коллаборации AWAKE удается контролировать нестабильность протонного сгустка в плазме
Advanced WAKEfield Experiment (AWAKE) — это крупный эксперимент, проводимый в ЦЕРН и направленный на изучение ускорения плазменного кильватерного поля. Это первая исследовательская работа в этой области, в которой сгусток релятивистских протонов используется в качестве драйвера плазменных кильватерных полей для ускорения электронов-свидетелей до высоких энергий.
Изображение резюмирует один из важных моментов статьи: сгусток электронов вызывает самомодуляцию сгустка протонов (время последовательности микросгустков воспроизводимо от события к событию) и что при задержке времени сгустка электронов время модуляции задерживается на ту же величину. На нижнем рисунке сгусток электронов задерживается на 7 пс, как и синхронизация последовательности микросгустков. Кредит: Сотрудничество AWAKE.
Использование протонного сгустка имеет множество преимуществ для экспериментов по ускорению плазмы. В частности, это позволяет исследователям поддерживать большой градиент ускорения на больших расстояниях без необходимости разбивать ускоритель на несколько разных секций.
Коллаборация AWAKE, группа исследователей, участвующих в эксперименте AWAKE, включает более 100 инженеров и физиков из 23 различных институтов по всему миру. В недавней статье, опубликованной в Physical Review Letters , эта большая группа ученых показывает, что автомодуляцией протонного сгустка можно управлять, внося нестабильность.
«Доступные сгустки протонов намного длиннее типичной длины волны плазмы», — сказал Phys.org Ливио Верра, один из исследователей, проводивших исследование. «Чтобы управлять кильватерными полями большой амплитуды, мы полагаемся на автомодуляционную нестабильность сгустка в плазме. Этот процесс превращает длинный сгусток в последовательность микросгустков, разделенных периодом кильватерных полей, которые вызывают кильватерные поля большой амплитуды».
Чтобы убедиться, что процесс самомодуляции протонного сгустка воспроизводим и может контролироваться с высокой степенью точности, нестабильность сгустка должна быть «затравлена». В своих предыдущих исследованиях исследователи достигли этого, включив плазму внутри протонного сгустка с помощью лазерного импульса.
Несмотря на их многообещающие результаты, они обнаружили, что этот метод имеет существенное ограничение, связанное с модуляцией только части протонного сгустка.
«В нашей новой статье мы показываем, что самомодуляция может быть вызвана использованием кильватерных полей, управляемых предшествующим электронным сгустком», — объяснил Верра. «В этом случае весь сгусток протонов самомодулируется контролируемым и воспроизводимым образом, что является важной вехой для будущего эксперимента».
В случае ускорителей плазменного кильватерного поля, управляемых протонами, процесс самомодуляции представляет собой, по сути, неустойчивость, когда амплитуда кильватерных полей в плазме растет вдоль протонного сгустка и вдоль плазмы. Рост этой самомодуляции определяется двумя ключевыми параметрами, а именно амплитудой затравочных кильватерных полей, которая определяет начальное значение полей, и скоростью роста, которая определяет, насколько быстро нарастает неустойчивость.
«Задавая автомодуляцию предшествующим электронным пучком, мы разделяем эти два параметра, с которыми всегда коррелируют другие методы затравки», — сказал Верра. «Это означает, что параметры затравочного электронного сгустка определяют амплитуду затравочных кильватерных полей, а параметры протонного сгустка определяют скорость роста нестабильности».
Используя подход, представленный в их статье, Верра и его коллеги смогли независимо контролировать рост автомодуляции протонного сгустка в плазменном ускорителе частиц ЦЕРНа с помощью двух разных «ручек». По сути, это два ключевых параметра, определяющих рост самомодуляции.
Недавняя работа этой группы исследователей показывает, что весь сгусток протонов в их плазменном ускорителе самомодулируется воспроизводимым образом. Это важное открытие может проложить путь к новым экспериментальным разработкам по ускорению плазменного кильватерного поля, управляемому протонами, которые основаны на двух отдельных плазмах.
Одна из этих плазм будет специфически вовлечена в процесс самомодуляции, а другая — в ускорение электронов. Эти две плазмы будут разделены щелью, где происходит инжекция сгустка электронов-свидетелей.
«Поскольку вторая плазма будет сформирована заранее, весь сгусток протонов должен быть самомодулирован», — сказал Верра. «Более того, демонстрация контроля над нестабильностью является важным самостоятельным физическим результатом, который можно распространить на другие конкретные предметы физики плазмы».
С начала 2022 года коллаборация AWAKE проводит несколько исследований, посвященных затравке самомодуляционной неустойчивости в плазме с помощью электронного сгустка. В настоящее время они специально изучают допуски своего метода с точки зрения пространственного и временного выравнивания между лучами.
«Вопросы, которые мы пытаемся решить, заключаются в следующем: как далеко друг от друга в поперечном положении могут быть введены пучки электронов и протонов без возникновения деструктивной нестабильности?» — добавила Верра. "И насколько далеко нужно инжектировать электронный сгусток по отношению к протонному для эффективной затравки? В 2023-2024 годах мы собираемся изучить влияние скачка плотности плазмы на самомодуляцию и на амплитуду кильватерные поля, а затем мы изменим эксперимент, чтобы приспособить вторую плазму для эксперимента по ускорению».
Конечной целью команды будет получение высококачественных и высокоэнергетических электронных сгустков в рамках экспериментов по физике элементарных частиц. Их следующие исследования предпримут дальнейшие шаги в этом направлении.
