Forschungsbericht 2015 - Max-Planck-Institut für Physik

AWAKE: Protongetriebene Plasma-Wakefield Beschleunigung

Autoren
Caldwell, Allen; Muggli, Patric
Abteilungen
Experimentalphysik / AWAKE - Plasma Wakefield Acceleration (Plasma-Kielfeld-Beschleunigung) (Allen Caldwell)
Zusammenfassung
In den vergangenen Jahrzehnten basierte der Fortschritt in der Hochenergiephysik in erster Linie auf Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider am CERN. Neue Technologien werden entwickelt, um in höhere Energiebereiche vorzudringen. Unser Ansatz ist, die Technologie der protonengetriebenen Plasma-Wakefield Beschleunigung zu verwenden. Der Vorteil von Protonen als Treiber von Plasmawellen liegt in der sehr viel höheren Energie des Protonenstrahls. Das AWAKE Experiment wird den SPS Protonenstrahl am CERN nutzen und erstmalig zeigen, dass Protonen starke Plasmawellen anregen können.

Plasma-Wakefield Beschleunigung

Ionisierte Gase oder Plasmen, mit einer Dichte, die um mehr als das Tausendfache niedriger ist als die der Atmosphäre, können beschleunigende Felder aufrechterhalten, die um ein Vielfaches größer sind als diejenigen, die in den aktuellen Beschleunigern, die auf Radiofrequenz-(RF-) Technik basieren, erzeugt werden können [1]. Diese großen Felder sind das Ergebnis der kollektiven Reaktion der Plasmaelektronen auf das elektrische Feld eines Laserimpulses oder auf das Feld der geladenen Teilchen des Treibers. Plasma-Wakefields haben eine longitudinale Komponente und sind daher in der Lage, dem Treiber Energie zu entziehen und an ein nachlaufendes Teilchenbündel weiterzugeben. Darüber hinaus verfügen die Wellen über eine transversale Komponente mit einer fokussierenden Kraft, die um viele Größenordnungen über der von herkömmlichen Magneten liegt und es dem beschleunigten und beschleunigenden Bündel erlaubt, über lange Distanzen transversal klein zu bleiben. Diese Kombination von großen Plasmafeldern und einer begrenzten Ausdehnung über größere Distanzen hinweg können zu dem großen Energiegewinn führen, der für neue Experimente in der Hochenergiephysik benötigt wird. Der große Vorteil gegenüber der heutigen RF- und Magnet-Technologie besteht darin, dass sehr viel kürzere Distanzen benötigt werden, um die hohen Energien zu erreichen.

Das Potenzial von Plasma als Medium mit hohem Energiegewinn pro Meter wurde mit kurzen und intensiven Laserpuls-Treibern demonstriert, die Elektronenbündel mit einer Energie bis zu 2 GeV in Kanälen von einigen Zentimetern Länge erzeugten [2, 3], was einem beschleunigenden elektrischen Feld von ca. 100 GV/m entspricht. Hohe Gradienten wurden auch mit einem Treiber mit kurzen Elektronenbündeln und hoher Ladung nachgewiesen. Hier betrug der Energiegewinn 42 GeV in 85 cm, das entspricht 52 GV/m [4].

Limitierende Faktoren für den Energiegewinn waren bei beiden bahnbrechenden Experimenten die Energie im Treiber. Um eine Energie von ca. 1 TeV pro Teilchen zu erreichen, müssen Laserpuls oder Elektronentreiber gut abgestimmt sein und in kurzen Abständen viele sich steigernde Beschleunigungen im Energiebereich von 25 GeV produzieren. In unserem Ansatz wird das Problem von Ausbreitungslänge und eingeschränkter Energie dadurch gelöst, dass die Wakefields durch Protonenbündel generiert werden.

Abb. 1: Intensität des Protonenstrahls (nb), Intensität der Plasmaelektronen (ne) und die longitudinale Komponente des starken Feldes (Ez) nach 4 Metern im Plasma. Die Koordinate ζ wird ab Anfang des Bündels berechnet. Die Region 10 cm hinter dem Bündelanfang ist vergrößert dargestellt.

Pakete mit 3·1011 Protonen und einer Energie von 19 kJ (CERN SPS 400 GeV Strahl) bzw. 1,7·1011 Protonen und 110 kJ (CERN LHC 4 TeV Strahl) können heutzutage routinemäßig erzeugt werden. Aufgrund ihrer hohen Energie und hohen Masse können Protonenbündel starke Felder über sehr viel längere Plasmastrecken hinweg transportieren als andere Treiber. Simulationen haben gezeigt [5], dass die Protonen die nachfolgenden Teilchen in einer einzigen Plasmastufe zur Energiegrenze transportieren können. Der Aufbau des Beschleunigers kann daher durch die Verwendung eines Antriebs durch Protonen deutlich vereinfacht werden.

Die größte Herausforderung bei der Realisierung der durch Protonen angetriebenen Plasma-Wakefield Beschleunigung besteht in der Länge der existierenden Protonenbündel. Glücklicherweise wurde ein Mechanismus entdeckt, der die Protonenbündel, die sich im Plasma ausbreiten, in Mikro-Bündel teilt: die selbstregulierende Instabilität [6]. Abbildung 1 zeigt eine Simulation eines selbstregulierenden Bündels [7].

Das AWAKE Experiment am CERN

Abb. 2: Schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten des AWAKE Experiments und Beschreibung der zu erwartenden Effekte.

Der Aufbau des am CERN geplanten AWAKE Experiments [8] ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Laser ionisiert den Metalldampf in der ersten Plasmasektion und löst die selbstregulierende Instabilität aus. Das selbstmodulierte Protonenbündel (in der Abbildung links) erreicht eine zweite Plasmasektion, wo es das Plasma-Wakefield anregt (kleine Darstellung in der Abbildung rechts). Elektronen werden eingespeist und ihre Energie im Multi-GeV Bereich kann mit einem Elektronenspektrometer gemessen werden. Es ist vorgesehen, das AWAKE Experiment am CERN-CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) Standort aufzubauen [9].

Ein Protonenbündel mit einer Intensität von 3·1011 Protonen, einer Länge von 12 cm und einer Energie von 400 GeV wird im 30 Sekundentakt vom SPS (Super Proton Synchrotron) entnommen und in der mehr als 800 Meter langen Beamline in Richtung AWAKE Experiment transportiert, das am Anfang von CNGS eingebaut wird. Ungefähr 20 Meter vor der Plasmazelle überlagern sich Laser- und Protonenstrahl. Hinter der Plasmazelle befinden sich das Diagnosesystem für den Strahl sowie das Elektronenspektrometer. Der Standort des Experiments am CERN wird gerade für den Aufbau von AWAKE vorbereitet und es ist geplant, im Sommer 2015 mit dem Einbau der einzelnen Komponenten zu beginnen. Die Beamline ist bereits größtenteils fertig gestellt. Abbildung 3 zeigt den letzten Teil der AWAKE Protonen-Beamline.

Abb. 3: Ein Teil der AWAKE Protonen-Beamline.

Gegenwärtig gehören der AWAKE Kollaboration ca. 50 Wissenschaftler aus 14 Instituten an. Dabei handelt es sich um Experten auf den Gebieten der Beschleunigerphysik, Plasmaphysik, Diagnosetechnik und Numerische Simulation. Federführend sind folgende Institute: das Max-Planck-Institut für Physik, CERN, University College London und das Budker Institute. Wichtige Beiträge kommen ferner vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Greifswald, sowie von den physikalischen Fakultäten der Universität Lissabon und der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf.

Die Hauptverantwortung für die Protonen- und die Elektronenstrahlen liegen beim CERN. Die Beiträge der einzelnen Institute umfassen numerische Simulationsstudien und elektronische Messgeräte. Neben seiner Führungsrolle im AWAKE Experiment wird vom Max-Planck-Institut für Physik die mit Alkali-Metalldampf gefüllte Zelle, der ionisierende Laser sowie die dazugehörende Elektronik bereitgestellt. Auch die Bestimmung der Zeitauflösung, die nötig ist, um den Modulationsprozess des Protonenstrahls studieren zu können, wird von Mitarbeitern unseres Instituts durchgeführt.

Wir erwarten die ersten Protonen des Experiments Ende 2016. Danach folgt ein experimentelles Programm mit einer Laufzeit von 3 bis 4 Jahren, in dem es jährlich 4 vierzehntägige Messperioden geben wird.

Das AWAKE Experiment am CERN wird das weltweit erste Plasma-Wakefield Experiment sein, bei dem die Beschleunigung durch einen Protonenstrahl erreicht wird. Sein Erfolg wird für die Entwicklung eines revolutionären, auf Plasma basierenden TeV Lepton Beschleunigers bahnbrechend sein.

Literaturhinweise

1.
Tajima, T.; Dawson, J.
Laser electron accelerator
Physics Review Letters 43, 267-270 (1979)
2.
Leemans, W. P.; Nagler, B.; Gonsalves, A. J.; Tóth, Cs.; Nakamura, K.; Geddes, C. G. R.; Esarey, E.; Schroeder, C. B.; Hooker, S. M.
GeV electron beams from a centimetre-scale acceleration
Nature Physics 2, 696-699 (2006)
3.
Wang, X.; Zgadzaj, R.; Fazel, N.; Li, Zhengyan.; Yi, S. A.; Zhang, X., Henderson, W.; Chang, Y.-Y.; Korzekwa, R.; Tsai, H.-E., Pai, C.-H.; Quevedo, H.; Dyer, G.; Gau. E.; Martinze, M.; Bernstein, A. C.; Borger, T.; Spinks, M.; Donovan, M.; Khudik, V.; Shvets, G.; Ditmire, T.; Downee, M. C.
Quasi-monoenergetic laser-plasma acceleration of electrons to 2 GeV
Nature Communication 4, 1988 (2013)
4.
Blumenfeld, I.; Clayton, C. E.; Decker, F.-J.; Hogan, M. J., Huang, C.; Ischebeck, R.; Iverson, R.; Joshi, C.; Katsouleas, T.; Kirby, N.; Lu, W.; Marsh, K. A.; Mori, W. B.; Muggli, P.; Oz, E.; Siemann, R. H.; Walz, D.; Zhou, M.
Energy doubling of 42 GeV electrons in a metre-scale psasma wakefield accelerator
Nature 445, 741-744 (2007)
5.
Caldwell, A.; Lotov, K.; Pukhov, A.; Simon, F.
Proton driven plasma-wakefield acceleration
Nature Physics 5, 363-367 (2009)
6.
Kumar, N.; Pukhov, A.; Lotov, K.
Self-modulation instability of along proton bunch in plasmas
Physcs Review Letters 104, 255003 (2010)
7.
Pukhov, A.
Three-dimensional electromagnetic relativistic particle-in-cell code VLPL (Virtual Laser Plasma Lab)
Journal of Plasma Physics 61, 425-433 (1999)
8.
Caldwell, A.; Gschwendtner, E.; Lotov, K.; Muggli, P.; Wing, M.
AWAKE Design Report A Proton-Driven PlasmaWakefield Acceleration Experiment at CERN
CERN-SPSC-2013-013 (2013)
9.
Gschwendtner, E.; Apyan, A.; Elsener, K.; Sailer, A.; Uythoven, J.; Appleby, R.; Salt, M.; Ferrari, A.; Ziemann, V.
The CLIC Post-Collision Line (WEPE01)
Proceedings of 1st International. Particle Accelerator Conference IPAC2010, Kyoto, Japan, 23-28 May 2010,  pp.WEPE019, Kyoto, p.1253 (2010)
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