Configuração do experimento Awake no centro de pesquisa Cern. Crédito: M. Brice / CERN

O futuro da aceleração de partículas começou. Awake – desperto – é um conceito promissor para um método completamente novo com o qual as partículas podem ser aceleradas mesmo em distâncias curtas. A base para isso é uma onda de plasma que acelera os elétrons e, portanto, os leva a altas energias. Uma equipe liderada pelo Instituto Max Planck de Física agora relata um avanço neste contexto. Pela primeira vez, eles foram capazes de cronometrar com precisão a produção dos microbunches de prótons que impulsionam a onda no plasma. Isso cumpre um importante pré-requisito para o uso da tecnologia Awake para experimentos de colisão.

Como você cria uma onda para elétrons? A substância transportadora para isso é um plasma (ou seja, um gás ionizado no qual as cargas positivas e negativas são separadas). Direcionar um feixe de prótons através do plasma cria uma onda na qual os elétrons viajam e são acelerados a altas energias.

A fonte de prótons da Awake é o anel SPS no Cern, um pré-acelerador para o anel de circunferência de 27 quilômetros do Large Hadron Collider (LHC). Ele produz feixes de prótons com cerca de 10 cm de comprimento. “No entanto, para gerar uma onda de plasma de grande amplitude, o comprimento do grupo de prótons deve ser muito mais curto – na faixa de milímetros”, explica Fabian Batsch, Ph.D. do Instituto Max Planck de Física.

Os cientistas tiram vantagem da automodulação, uma interação “natural” no plasma. “No processo, o grupo de prótons mais longo é dividido em microbunches de prótons de alta energia de apenas alguns milímetros de comprimento, construindo o feixe do trem”, diz Batsch. “Esse processo forma uma onda de plasma, que se propaga viajando pelo campo de plasma.”

Uma seqüência de curtos feixes de prótons viaja através do campo de plasma, formando uma onda na qual os elétrons podem ser acelerados. Crédito: AWAKE

O tempo preciso permite a aceleração de elétrons ideal

No entanto, um campo estável e reproduzível é necessário para acelerar os elétrons e levá-los à colisão. É exatamente para isso que a equipe encontrou uma solução agora. “Se um campo elétrico suficientemente grande é aplicado quando o grupo de prótons longo é injetado e a automodulação é imediatamente posta em movimento.”

“Uma vez que o plasma é formado imediatamente, podemos cronometrar exatamente a fase dos curtos microbunches de prótons”, diz Patric Muggli, chefe do grupo de trabalho Awake no Instituto de Física Max Planck. “Isso nos permite definir o ritmo do trem. Assim, os elétrons são captados e acelerados pela onda no momento ideal.”

Primeiros projetos de pesquisa em vista

A tecnologia Awake ainda está nos estágios iniciais de desenvolvimento. No entanto, a cada passo em direção ao sucesso, as chances dessa tecnologia de acelerador realmente ser usada nas próximas décadas aumentam. As primeiras propostas para projetos de aceleradores menores (por exemplo, para estudar a estrutura fina dos prótons) devem ser feitas já em 2024.

De acordo com Muggli, as vantagens da nova tecnologia de acelerador – aceleração de wakefield de plasma – são óbvias: “Com essa tecnologia, podemos reduzir a distância necessária para acelerar os elétrons até o pico de energia em um fator de 20. Os aceleradores do futuro poderiam, portanto, ser muito menor. Isso significa: menos espaço, menos esforço e, portanto, custos mais baixos.”

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