A colaboração AWAKE é inovadora na construção de um novo tipo de acelerador de partículas

Há uma boa probabilidade de que em breve uma nova porta se abra aos físicos, oferecendo-lhes novos conhecimentos sobre os mistérios do universo. A colaboração internacional AWAKE fez um grande avanço nos seus esforços para construir um novo tipo de acelerador de partículas. O experimento, no qual elétrons navegam em uma plasma onda, acelera partículas com muito menos esforço do que o necessário com o LHC, por exemplo, ou com outros aceleradores de partículas usados ​​até hoje. Assim, os físicos poderiam provocar colisões de partículas com significativamente mais energia do que foi possível até agora. Estudar os vestígios destas colisões pode ajudar os cientistas a obter novos conhecimentos sobre o Big Bang e a estrutura da matéria.

Por mais poderoso que seja o aparelho atual, como o Grande Colisor de Hádrons (LHC), em CERN seja, já se pode prever que será necessária significativamente mais energia para responder a questões sobre física de partículas que permanecem em aberto. Existe supersimetria, o que é matéria escura e qual é a força por trás da energia escura? No entanto, as tecnologias utilizadas até à data só podem ser melhoradas e expandidas com grandes custos.

Por esta razão, surge a questão de como criar conceitos de aceleradores alternativos e de menor custo. Com ACORDADO

Primeiro teste bem-sucedido dos aceleradores de partículas

O caminho para novos aceleradores de partículas: No túnel de uma antiga experiência com neutrinos, os investigadores da cooperação AWAKE montaram uma célula plasmática de dez metros de comprimento, na qual deixaram os electrões navegar numa onda de plasma. Este conceito torna possível acelerar partículas a um alto nível de energia em distâncias significativamente mais curtas do que em aceleradores convencionais. Crédito: © Maximilien Brice/CERN

A mesma energia em um comprimento 50 vezes menor

“A nossa equipa persegue o objetivo, com a ajuda de um plasma, de acelerar eletrões a uma distância relativamente curta”, explica Allen Caldwell, diretor do Instituto Max Planck de Física (MPP) e porta-voz da AWAKE. “Presumimos que, em um futuro acelerador de plasma, precisaremos de apenas 1 metro para levar os elétrons a 1 gigaelétron-volt (GeV).” Em comparação, os aceleradores lineares padrão precisam de 50 metros para alcançar o mesmo resultado.

Após um período de desenvolvimento de quatro anos, os cientistas relatam agora um avanço. Em 25 de maio de 2018, eles puderam observar pela primeira vez como os elétrons poderiam ser acelerados com o AWAKE. Os elétrons atingiram uma energia de 2 GeV.

Allen Caldwell está encantado: “Presumimos que não alcançaríamos este tipo de sucesso até o outono. Com a energia que agora obtivemos, as nossas expectativas foram plenamente satisfeitas. Nesta fase inicial do projeto, o foco foi inicialmente verificar até que ponto o princípio da aceleração do plasma pode ser implementado.”

Prótons aceleram elétrons

AWAKE utiliza um plasma, uma mistura gasosa de átomos carregados positivamente e elétrons negativos, que fica localizado em uma câmara de aproximadamente 10 metros de comprimento, a célula plasmática. Um feixe de prótons é injetado nesta câmara.

Em seu caminho através do plasma, os prótons carregados positivamente carregam consigo os elétrons negativos do plasma e produzem uma espécie de campo de despertar. Quando elétrons também são adicionados, eles viajam na onda e são acelerados. O conceito de aceleração do wakefield de plasma não é inteiramente novo, entretanto. Durante a década de 1970, já era discutido como uma abordagem inovadora. Porém, os primeiros experimentos não utilizaram prótons como “geradores de ondas”.

“No início, as ondas de plasma eram criadas com elétrons ou laser. No entanto, as ondas produzidas eram demasiado fracas para o transporte eficaz de partículas”, explica Patric Muggli, líder do projeto AWAKE no MPP. “AWAKE usa prótons como primeiro experimento. Eles são mais pesados, podem penetrar mais profundamente no plasma e, portanto, transportar outras partículas consigo por um caminho mais longo. O resultado é maior energia entre as partículas do surf.”
Primeiros experimentos com início previsto para 2024

O uso de um feixe de prótons também é a razão pela qual o AWAKE está localizado no CERN. Desta forma, os cientistas podem utilizar prótons ricos em energia do anel SPS, um dos pré-aceleradores do LHC.

O que acontecerá agora que este importante marco foi alcançado? Até o final do ano, os cientistas farão experimentos com a estrutura existente. O LHC ficará então fechado por dois anos. Os cientistas usarão esse período para desenvolver ainda mais as células plasmáticas. Aqui, a equipe AWAKE tem um objetivo claro em mente.

Como explica Allen Caldwell: “Queremos usar o AWAKE até 2024 como uma aplicação para projetos científicos – por exemplo, para compreender a estrutura fina dos protões ou para procurar novas partículas como os ‘fótons escuros’, que são possíveis candidatos para matéria escura.” Publicação: E. Adli, et al., “Aceleração de elétrons no campo de despertar do plasma de um grupo de prótons,”