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AWAKE: Wie man einen Protonenstrahl zerlegt

Nachdem es Wissenschaftlern des AWAKE-Projekts gelungen ist, auf einer Plasmawelle „surfende“ Elektronen zu beschleunigen, geht es nun darum, die zugrunde liegenden Prozesse zu untersuchen und zu verbessern. In den letzten Monaten haben sich die Forscher intensiv damit befasst, wie man den im SPS-Ring des CERN erzeugten 10-Zentimeter-Protonenstrahl so manipulieren kann, dass kürzere Bündel entstehen. Solche kleinen Protonenbündel sind nötig, um die Ladungen im Plasma zu trennen und Wellen zu erzeugen, auf denen Elektronen surfen können. Die Ergebnisse wurden jetzt in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

 

Aufnahme eines in kleine Bündel zerlegten Protonenstrahls

Aufnahme eines in kleine Bündel zerlegten Protonenstrahls (Foto: AWAKE)

Aus früheren Experimenten wussten die Wissenschaftler bereits, dass die Modulation des Protonenstrahls von den Eigenschaften des Versuchsaufbaus abhängt. „Uns hilft eine Wechselwirkung zwischen Partikeln und Plasma, die wir als ‚Selbstmodulation‘ bezeichnen“, erläutert Patric Muggli, AWAKE-Projektleiter am Max-Planck-Institut für Physik und Vorsitzender des Physik- und Experimentalausschusses von AWAKE. „Während dieses Prozesses werden die langen Strahlen in energiereiche, wenige Millimeter kurze Protonenpakete aufgespalten, die dann ein großes Kielfeld bilden.“

Foto von Protonenbündeln

Zum ersten Mal gelang es den Forschern, den „Zug“ aus kurzen Protonenbündeln mithilfe einer ultraschnellen Kamera (Auflösung: 1 Billionstel Sekunde) direkt zu beobachten.

Dabei konnten sie zeigen, dass Protonen tatsächlich aus dem Strahl treten, um den Treiberstrahl bilden. Dieser Effekt wird im Verlauf des Bündels und des Plasmas stärker. Darüber hinaus wiesen die Wissenschaftler nach, dass die Distanz zwischen den Bündeln von der Plasmadichte abhängt und folglich veränderlich ist. All diese Beobachtungen bestätigen die Theorie und die Simulationsergebnisse, die in die Vorbereitung des Experiments eingeflossen waren.

Weg frei für zukünftige Experimente

Ein besseres Verständnis und eine genaue Messung der oben beschriebenen Prozesse sind erforderlich, um ein künftiges Instrument vorzubereiten, bei dem Elektronen in guter Qualität auf hohe Energien beschleunigt werden sollen. In den nächsten Experimenten wird als „Selbstmodulator“ ein erstes Plasma zum Einsatz kommen, in dem wie in den bisherigen Versuchen der Protonenbündelstrahl entsteht.

Auf das erste Plasma folgt eine plasmafreie Lücke, in die der zu beschleunigende Elektronenstrahl eingespeist wird. Anschließend verlaufen beide Strahlen durch das zweite Plasma, den sogenannten „Beschleuniger“. Hier entzieht das Plasma dem Protonenstrahl Energie, die dann an den Elektronenstrahl weitergegeben wird.

Ziel: Untersuchung der innersten Struktur des Protons

Der Protonenstrahl führt eine große Menge Energie mit sich, die auf die Elektronen übertragen werden kann. „Der Vorteil von Protonenstrahlen gegenüber Laser- oder Elektronenstrahlen, wie sie in früheren Experimenten eingesetzt wurden, liegt in der hohen Ausgangsenergie“, so Muggli.

„Mit dieser neue Beschleunigungsmethode könnte man künftig hochenergetische Elektronen erzeugen und diese mit hochenergetischen Protonen kollidieren lassen, um so die innere Struktur des Protons zu untersuchen.“ Im Gegensatz zum Elektron ist das Proton kein Elementarteilchen: Es besteht aus kleineren Komponenten (Quarks und Gluonen) und hat einen komplexen inneren Aufbau.

Allerdings müssen die Forscher noch viele praktische und theoretische Aufgaben lösen, bevor sie die neue Beschleunigertechnologie wirklich nutzbringend einsetzen können. Mit den ersten Anwendungen in der Teilchenphysik ist erst in etwa einem Jahrzehnt zu rechnen.

Publikationen:

  • Experimental Observation of Plasma Wakefield Growth Driven by the Seeded Self-Modulation of a Proton Bunch; M. Turner et al. (AWAKE Collaboration); Phys. Rev. Lett. 122, 054801 (2019)
  • Experimental Observation of Proton Bunch Modulation in a Plasma at Varying Plasma Densities; AWAKE Collaboration; Phys. Rev. Lett. 122, 054802 (2019)

Kontakt:

Dr. Patric Muggli
Max-Planck-Institut für Physik
+49 89 32354-580
+41 75 411-4823 (CERN)