Demonstration of a 10-metre-long discharge plasma source for plasma wakefield acceleration
Questo articolo riporta la riuscita caratterizzazione sperimentale e la validazione basata su fascio di una sorgente di plasma a scarica DC pulsata lunga 10 metri come alternativa riproducibile e uniforme al vapore ionizzato da laser per pilotare l'accelerazione in wakefield di plasma nell'esperimento AWAKE.
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Per comprendere l'ambizione dietro questo lavoro, bisogna innanzitutto comprendere la sfida della costruzione della prossima generazione di acceleratori di particelle. Le macchine tradizionali, come i massicci anelli che circondano la Terra, si affidano alle onde radio per spingere le particelle in avanti. Sebbene efficaci, queste onde possono fornire solo una certa quantità di spinta prima di degradarsi, costringendo gli scienziati a costruire macchine lunghe centinaia di chilometri per raggiungere le energie più elevate necessarie per indagare i segreti fondamentali dell'universo. Un'alternativa più compatta prevede l'uso del plasma, un gas caldo ed elettricamente carico, per creare campi di scia (wakefields). Immaginate una barca che si muove attraverso l'acqua; essa lascia dietro di sé una scia di onde. Se un gruppo di particelle attraversa il plasma, crea una scia simile. Se un secondo gruppo di particelle cavalca questa scia nel momento giusto, può essere accelerato a velocità incredibili su una distanza molto breve. Il problema è che, per raggiungere i livelli di energia richiesti dalla fisica delle alte energie, questa accelerazione deve avvenire su un tratto di plasma molto più lungo di quanto sia mai stato creato con successo in un unico tubo uniforme.
L'esperimento descritto in questo articolo, condotto al CERN di Ginevra, affronta proprio questo ostacolo. I ricercatori, parte della collaborazione AWAKE, hanno testato con successo un nuovo metodo per creare una colonna di plasma lunga dieci metri che sia abbastanza stabile e uniforme da poter essere utilizzata per queste accelerazioni ad alta velocità. Per anni, il team si è affidato a un laser per ionizzare il vapore di rubidio, trasformandolo in plasma. Sebbene questo metodo funzioni bene per distanze brevi, il laser stesso diventa un fattore limitante quando si tenta di estendere la colonna di plasma ai decine o centinaia di metri richiesti dalle future macchine. Il team aveva bisogno di un approccio diverso che potesse scalare senza perdere il controllo preciso necessario per mantenere le particelle in traiettoria. Si sono rivolti a una scarica elettrica, un processo simile a quello con cui si forma un fulmine, ma controllato e ripetuto con cura.
I ricercatori hanno costruito un tubo di vetro lungo dieci metri e lo hanno riempito di gas nobili, nello specifico elio, argon e xenon. Invece di usare un laser, hanno applicato un impulso elettrico ad alta tensione al gas. Questo impulso strappa gli elettroni dagli atomi di gas, trasformando istantaneamente il gas in plasma. La chiave del loro successo è stata una tecnica a "doppio impulso". Il primo impulso agisce come una scintilla per accendere il gas, mentre un secondo impulso, leggermente più lungo, riscalda il plasma fino a uno stato stazionario. Questo processo in due fasi consente al plasma di formarsi in modo affidabile e costante, evento dopo evento. Il team ha eseguito questo sistema migliaia di volte, testando le prestazioni con ciascuno dei tre gas diversi. Hanno scoperto che la scarica elettrica poteva produrre costantemente densità di plasma adatte all'accelerazione, che vanno da cento trilioni a un quadrilione di elettroni per centimetro cubo.
Per verificare che il plasma si stesse comportando esattamente come previsto, i ricercatori non si sono limitati a osservare il gas; hanno utilizzato il fascio di particelle stesso come strumento di misura. Hanno sparato pacchetti di protoni ad alta energia dal Super Proton Synchrotron attraverso il plasma. Quando questi protoni attraversano il plasma, si frammentano naturalmente in una serie di minuscoli micro-pacchetti, un fenomeno noto come automodulazione. La velocità con cui questi micro-pacchetti si formano è direttamente legata alla densità del plasma. Misurando la frequenza di questo schema, gli scienziati hanno potuto calcolare la densità del plasma all'interno del tubo. Hanno confrontato queste misurazioni basate sul fascio con misurazioni indipendenti di laboratorio effettuate tramite interferometria laser, una tecnica che misura come le onde luminose cambiano mentre passano attraverso il gas. I due metodi concordavano notevolmente, confermando che la scarica elettrica stava creando un plasma con la densità corretta.
Forse il reperto più critico è stata la coerenza del sistema. Affinché un acceleratore di particelle funzioni, il plasma non può fluttuare selvaggiamente da un momento all'altro; deve essere riproducibile. Il team ha misurato la variazione della densità del plasma da una scarica elettrica all'altra e ha scoperto che era inferiore all'uno percento. Questo livello di stabilità è paragonabile alle prestazioni del sistema basato su laser che stanno sostituendo, dimostrando che la scarica elettrica è un'alternaria valida. Il sistema ha funzionato in modo affidabile per un periodo di tre settimane e oltre ventimila cicli di scarica, dimostrando di poter sopportare i rigori di un funzionamento continuo. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che, semplicemente regolando la temporizzazione tra l'impulso elettrico e l'arrivo del fascio di protoni, potevano accedere a diverse densità di plasma all'interno dello stesso tubo, offrendo un modo flessibile per sintonizzare l'esperimento senza cambiare l'hardware.
Questo lavoro stabilisce che una sorgente di plasma lunga dieci metri guidata da scarica elettrica non è solo possibile, ma anche robusta e riproducibile. Apre la porta alla scalabilità di queste sorgenti verso lunghezze ancora maggiori, raggiungendo potenzialmente i centinaia di metri necessari per i futuri collisionatori ad alta energia. Sebbene l'attuale progettazione sia adattata alle esigenze specifiche dell'esperimento AWAKE, il principio sottostante all'uso di scariche elettriche per creare colonne di plasma lunghe e uniformi potrebbe essere applicato ad altri progetti di accelerazione basati sul plasma. Il successo di questo prototipo da dieci metri suggerisce che la strada verso la costruzione di acceleratori di particelle molto più grandi, potenti e compatti sta diventando più chiara, passando da concetti teorici a tecnologia tangibile e funzionante.
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