Electronii navighează pe undele protonilor într-un nou tip de accelerator de particule

Tehnologia acceleratorului de particule a atins un nou val.

Pentru prima dată, oamenii de știință au demonstrat că electronii pot câștiga energie prin surfing undele susținute de protoni împușcați prin plasmă. În viitor, tehnica ar putea ajuta la producerea de fascicule de electroni la energii mai mari decât este posibil în prezent, pentru a investiga funcționarea interioară a particulelor subatomice.

Acceleratoarele standard de particule se bazează pe cavități de radiofrecvență, camere metalice care creează câmpuri electromagnetice oscilante pentru a împinge particulele. Odată cu demonstrația undelor de plasmă, „încercăm să dezvoltăm un nou tip de tehnologie de accelerare”, spune fizicianul Allen Caldwell de la Institutul de Fizică Max Planck din München. Caldwell este un purtător de cuvânt al colaborării AWAKE, care a raportat rezultatele pe 29 august Natură.

Într-un experiment la laboratorul de fizică a particulelor CERN din Geneva, cercetătorii au trimis fascicule de protoni de înaltă energie printr-o plasmă, o stare a materiei în care electronii și atomii încărcați pozitiv numiți ioni se amestecă. Protonii pun electronii plasmei să tremure, creând unde care au accelerat electroni suplimentari injectați în plasmă. În cadrul studiului, electronii injectați au atins energii de până la 2 miliarde de electroni volți pe o distanță de 10 metri.

„Este un rezultat frumos și un prim pas important”, spune Mark Hogan, fizician la SLAC National Accelerator Laboratory din Menlo Park, California, care studiază acceleratoarele undelor de plasmă.

Anterior, oamenii de știință au demonstrat potențialul acceleratorilor de plasmă prin accelerarea electronilor folosind unde declanșate de un laser sau de un alt fascicul de electroni, în loc de protoni (SN: 5/8/10, str. 28). Dar fasciculele de protoni pot transporta mai multă energie decât fasciculele laser sau de electroni, astfel încât electronii accelerați de undele de plasmă ale protonilor pot fi capabili să atingă energii mai mari într-o singură explozie de accelerație.

Noul rezultat, totuși, nu se potrivește încă cu energiile produse în acceleratoarele de plasmă anterioare. În schimb, studiul este doar un prim pas, o dovadă de principiu care arată că fasciculele de protoni pot fi folosite în acceleratoarele de unde de plasmă.

Electronii de înaltă energie sunt deosebit de utili pentru fizica particulelor, deoarece sunt particule elementare – nu au constituenți mai mici. Protonii, pe de altă parte, sunt formați dintr-o mare de quarci, ceea ce duce la ciocniri mai dezordonate. Și pentru că fiecare quark transportă o mică parte din energia totală a protonului, doar o fracțiune din acea energie intră într-o coliziune. Cu toate acestea, electronii își pun toată puterea în fiecare zdrobire.

Dar electronii sunt greu de accelerat direct: dacă sunt introduși într-un inel accelerator, ei elimină rapid energia pe măsură ce se învârt, spre deosebire de protoni. Deci AWAKE începe cu protoni accelerați, folosindu-i pentru a aduce electronii la viteză.

Înainte de experiment, exista scepticism cu privire la faptul dacă plasma ar putea fi controlată suficient de bine pentru ca un efort precum AWAKE să funcționeze, spune fizicianul Wim Leemans de la Laboratorul Național Lawrence Berkeley din California, care lucrează la acceleratoarele cu plasmă laser. „Este foarte satisfăcător să vezi că, da, tehnologia cu plasmă a avansat.”