Il CERN di Ginevra accelera per la prima volta gli elettroni col plasma

Per la prima volta, gli scienziati sono riusciti ad accelerare con successo gli elettroni utilizzando i protoni che passano attraverso il plasma.

Questo grande traguardo potrebbe portare alla creazione di acceleratori di particelle molto più piccoli ed economici rispetto a quelli già esistenti.

“I risultati ottenuti sono un passo significativo verso lo sviluppo di futuri acceleratori di particelle ad alta energia”, affermano i ricercatori .

Acceleratore al plasma: di che cosa si tratta?

Il team dietro l’Advanced Proton Driven Wakefield Acceleration Experiment (AWAKE) al CERN di Ginevra ha lavorato per cinque anni per ottenere questo risultato, e anche se è ancora nelle prime fasi, questo potrebbe portare a un enorme miglioramento nel nostro modo di esaminare la fisica.

Ciò che accade negli acceleratori di particelle esistenti, come l’ Large Hadron Collider (LHC) situato a Ginevra, è che i campi elettrici oscillanti viaggiano all’interno di cavità, creando due zone cariche opposte che eccitano i fasci di particelle fino a livelli di energia elevata.

Queste particelle possono quindi essere distrutte e studiate in dettaglio per esaminarle a livello subatomico. Tuttavia è necessaria una lunga serie di cavità, come il tratto di 27 chilometri del Large Hadron Collider.

Nella nuova tecnica, un raggio di protoni sparato attraverso il plasma riscaldato crea dei campi elettrici che prendono il nome di “wakefield” (definito come acceleratore al plasma).

Se un fascio di elettroni viene quindi inviato attraverso lo stesso contenitore e sincronizzato perfettamente con i campi elettrici, gli elettroni sono in grado di raggiungere alte velocità in breve distanze.

(Nel video allegato la responsabile del progetto AWAKE Edda Gschwendtner spiega il procedimento utilizzato)

Lo studio

I Wakefields non sono una nuova idea e sono stati oggetto di ricerche sin dagli anni ’70. Gli acceleratori di Wakefield sono formati da due fasci diversi. Il fascio di particelle che è l’obiettivo dell’accelerazione è noto come “raggio testimone“, mentre il raggio che genera il campo elettrico è noto come “raggio guida“.

Questo è dunque il primo esperimento che utilizza con successo i protoni per il “raggio guida” iniziale, piuttosto che i laser o gli elettroni.

Affinché tutto funzioni, i protoni di guida devono essere ottenuti dal Super Proton Synchrotron (SPS) del CERN, ovvero un acceleratore formato da un tubo di 7 chilometri.

I protoni dell’SPS, che viaggiano con un’energia di 400 GeV (giga elettrone volt), vengono iniettati in una cosiddetta “cella al plasma“. Quest’ultima contiene gas Rubidio uniformemente riscaldato a circa 200 °C.

I protoni sono accompagnati da un impulso laser che trasforma il gas di Rubidio in plasma (uno stato speciale di gas ionizzato) espellendo elettroni dagli atomi del gas.

Dato che questo raggio guida di protoni carichi positivamente viaggia attraverso il plasma, fa sì che gli elettroni, caricati negativamente e distribuiti in modo casuale all’interno del plasma, oscillino in maniera ondulatoria.

Grazie a questo sistema, in uno spazio di soli 10 metri, gli elettroni sono stati in grado di raggiungere un’energia di quasi 2 GeV. Questa quantità è notevolmente minore rispetto agli acceleratori di elettroni già esistenti, che possono produrre 6 GeV e ben oltre (il record attuale è di 13.000 GeV, detenuto dal Large Hadron Collider).

Che cosa ci aspetta?

Ora il passo successivo è quello di perfezionare i processi coinvolti per renderli più efficienti e capaci di operare a livelli energetici più elevati. Questo potrebbe richiedere circa 5-10 anni di lavoro.

“Non vediamo l’ora di ottenere ulteriori risultati dal nostro esperimento per dimostrare l’efficacia dei wakefield al plasma come base per i futuri acceleratori di particelle”, afferma Edda Gschwendtner, la responsabile del progetto AWAKE.