起きている

CERNのAWAKE ( Advanced WAKEfield Experiment )施設は原理実証実験であり、陽子バンチを駆動源として使用して航跡場プラズマの加速を調査する世界初の試みです。数GV/m の高加速勾配を作り出し、低エネルギーの電子の証拠バンチを短距離 (10 m) で15 ～ 20 M eVから数 GeV まで加速することを目指しています。CERN のLHCなど、現在使用されている粒子加速器は、加速に標準または超伝導 RF 空洞を使用していますが、加速勾配は 100 MV/m 程度に制限されています。

円形加速器はシンクロトロン放射のエネルギー損失が大きいため、高エネルギーの電子を輸送するのに効率的ではありません。線形加速器にはこの問題がないため、高エネルギーの電子を加速して輸送するのに適しています。^{[1] [2]}

AWAKE の高加速勾配により、より短く、より安価な新世代の高エネルギー加速器の建設が可能になり、特に線形電子加速器の粒子加速器技術における大きな一歩となります。

プラズマは正に帯電した イオンと負に帯電した自由電子から構成され、マクロ的には中性のままである。強い電界を印加すると、イオンと電子は空間的に分離される。これにより局所的な電界が生成され、プラズマに入る荷電粒子は加速される。^[3]

ドライバーである正に帯電した陽子束がプラズマを貫通すると、負に帯電したプラズマ電子を引き寄せ、電子はオーバーシュートして振動を開始し、航跡場を形成します。航跡場と陽子の後ろに注入された荷電粒子との相互作用は、サーファーと波との相互作用と同じと解釈できます。後者はエネルギーをサーファーに伝達し、サーファーは加速されます。航跡場は、減速段階と加速段階、および集束段階と脱集束段階で構成されます。したがって、航跡場における電子束の注入位置は非常に重要です。なぜなら、集束され加速されるのは航跡場のほんの一部 (1/4) だけであり、これが電子の捕捉と加速に必要なためです。AWAKE は、ドライバーとして陽子束を使用する最初のプラズマ航跡場実験です。たとえば、CERNスーパープロトンシンクロトロン(SPS) を形成する陽子などの陽子は、大量のエネルギー (約 400 GeV) を運ぶことができます。そのため、エネルギー枯渇により、レーザーパルスや電子束を駆動源とするよりもはるかに長い距離にわたってプラズマ中に航跡場を生成することができる。^[4]

プラズマは、プラズマ周波数​​ ω _p ² =4n _e e ² /εm _eの周波数を持つ振動子の集合体と見ることができます。ここで、 n _{e は}プラズマの電子密度、 m _{e は}電子の質量、 e は素電荷です。^[5]これらの振動子を共鳴励起するには、ドライバーにプラズマ周波数​​ ω _pに近いフーリエ成分が含まれている必要があります。^[5]さらに、駆動バンチの長さはプラズマ波長 λ _p (=2πc/ω _p、 c は光速) に近くする必要があります。 AWAKE のような密度 (n _e ≈ 1•10 ¹⁵ cm ⁻³ ) の場合、これはおよそ λ _p ≈ 1 mm に相当します。 ただし、現在利用可能な陽子バンチの長さはこの値を大幅に上回っています。 AWAKE は、プラズマ中を移動する陽子バンチのシード自己変調 (SSM) を形成し、これにより長い陽子バンチがプラズマ波長の長さの短いマイクロバンチに分割され、ウェイクフィールドを共鳴的に駆動できます。^{[4] [5]}

AWAKE実験は、CERNの旧CERNニュートリノ・グラン・サッソ（CNGS）施設に設置されています。この場所は地下にあるため選ばれ、特に放射線の問題を起こさずに高エネルギー陽子ビームを使用できるように設計されました。^[1]

AWAKE の陽子束は CERN SPS から抽出され、約 800 メートルのビームラインを通って AWAKE の 10 メートルの蒸気源に運ばれます。電子の証拠束は陽子束の後ろに注入されます。^[4]注入された電子の加速を検出するために、蒸気の後ろに双極子磁石が設置され、電子の進路を曲げます。電子のエネルギーが大きいほど、進路の曲率は小さくなります。次に、シンチレーションスクリーンが加速された電子を検出します。^[2]

蒸気源には、Ti:サファイアレーザーによってイオン化されたルビジウム(Rb)蒸気が含まれています。蒸気源はオイルバスに囲まれています。オイルの温度を設定することで、Rb 蒸気密度を設定し、蒸気源に沿って均一に保つことができます。

AWAKE はレーザーパルスを使用してRb 蒸気をイオン化します。レーザーパルスを陽子束内で共線的に伝播させることにより、ビーム/プラズマ相互作用のハードエッジが陽子束の自己変調の種となり、10 メートルの長さのプラズマにわたって成長が促進されます。また、捕捉と加速のために適切な位相で陽子束を注入するために必要な、航跡場の開始の位相基準を作成することもできます。電子は、RF 銃の光電陰極にレーザーを送ることで生成されます。^[6]

最初の実行は2016年から2018年まで続きました。長さ10メートルの蒸気源は2016年2月11日に設置され、最初の陽子ビームは2016年6月16日にビームラインと空の蒸気源に送られました。プラズマ内の陽子バンチの最初のデータは2016年12月に取得されました。^{[4] [2]} 2018年5月26日、AWAKEは初めて電子ビームを加速しました。ビームは10メートルの距離で19MeVから2GeVに加速されました。^[7]

2回目の運転は2021年から2024年にかけて計画されている。加速勾配は増加し、エミッタンスは縮小すると予想される。電子エネルギーを10 GeVに増加させる予定である。このフェーズの後、目標はエネルギーを少なくとも50 GeVに増加させ、最初のアプリケーションにビームを提供することである。^[8]

• CERNのAWAKEウェブサイト
• UCLのAWAKEウェブサイト