PRR Project

Summary

Os aceleradores de plasma dependem da capacidade dos plasmas suportarem campos elétricos de GeV/cm produzidos por impulsos laser intensos ou feixes de partículas de alta energia. Embora possamos ter um feixe the electron com energias de GeV produzidos por uma máquina compacta, o desafio persiste para os aceleradores com energia relevantes para a Física das Altas energias na gama de TeV. A experiência  AWAKE no CERN utiliza feixes de protões de 400 GeV acelerados no anel SPS com o objetivo de demonstrar aceleração de feixes electrões com alta qualidade num único estágio de acelaração. Esta experiência alcançou todos os seus principais objetivos: demonstrou que um feixe de protões de 1 ns pode ser auto-modulado de forma ressonante  por um plasma denso resultando um feixe “micro-bunched” capaz de gerar de forma ressonante uma estrutura de aceleração no plasma. Essa estrutura pode ser colocada em fase com um impulso laser de modo a ter a reprodutibilidade temporal. As estrutura geradas no plasma  aceleraram electrões de teste com ganhos de energia de alguns GeV/m. A experiência AWAKE está agora a iniciar a transição para uma estrutura com múltiplos plasmas, onde o foco é demonstrar a aceleração de alta qualidade dos feixes de electrões (run 2-C) e aumentar o ganho de energia usando plasmas escaláveis em comprimento (run 2-D). Portanto, um elemento chave para o futuro da experiência AWAKE é uma fonte de plasma escalável em comprimento. A equipa desta proposta desenvolveu uma fonte de plasma escalável em comprimento baseada em múltiplas descargas de corrente directa com cátodos e ânodos comuns. Até agora, um protótipo de uma fonte de plasma de descarga (DPS) foi testado com sucesso na experiência AWAKE (Abril-Maio 2023). Nestes testes, o plasma da DPS conseguiu replicar a auto-modulação do feixe de protões. Contudo, as runs 2-C e 2-D requerem que os diferentes plasmas tenham densidades com uma tolerância apertada (0,2%) e com um requisito semelhante para a uniformidade da densidade de modo a produzir uma aceleração eficiente. Isto requer uma melhoria de cerca de dez vezes na tolerância atual da densidade do plasma. Esta proposta visa principalmente melhorar a DPS para o nível exigido pelas runs 2-C e 2-D e desenvolver ainda mais os seus controlos, diagnósticos e interfaces físicas para integração na experiência AWAKE. O programa experimental, a ser realizado principalmente nas instalações de teste da DPS no IST em Lisboa, começará por explorar um potencial regime de descarga mais robusto que levará o plasma a uma temperatura mais elevada e próxima da ionização total. Também planeamos demonstrar a escalabilidade do comprimento do plasma ilimitada produzindo um plasma contínuo resultante de cinco descargas individuais em série, testar a operação da DPS com aberturas para injeção de feixes no plasma com elevada qualidade e respectiva compensação ativa da pressão por um novo sistema de injeção de gás. Finalmente, esperamos concluir incorporando estes desenvolvimentos em novos protótipos do tubo de plasma  e gerador de pulsos compatíveis com a integração na experiência AWAKE run-2C. Paralelamente, a nossa equipa irá realizar a modelização computacional da dinâmica do feixe de protões na célula de plasma (DPS). A ferramenta numérica principal que iremos utilizar é o código de partículas (particle-in-cell ou PIC) Osiris. A nossa equipa lidera o desenvolvimento do Osiris, no seio de uma longa colaboração entre o IST e a UCLA. O código PIC Osiris é usado frequentemente para simular experiências de aceleração a plasma realizadas nas universidades e laboratórios mais reputados neste campo, na Europa, Ásia e nos EUA. Graças a simulações com parâmetros realistas e que reproduzem a experiência AWAKE, e graças ao financiamento FCT-CERN obtido anteriormente, a nossa equipa fez as primeiras previsões da aceleração de electrões para a experiência, e identificou aspectos físicos fundamentais para a experiência AWAKE. Exemplos incluem a dinâmica dos iões do plasma, e instabilidades relevantes tais como a instabilidade de hosing (que pode levar à disrupção do feixe de protões) e filamentação. Estas previsões podem ser agora experimentalmente testadas, graças à fonte de plasma DPS concebida no IST. A componente do nosso programa de investigação em teoria e simulações irá assim guiar os desenvolvimentos experimentais para otimizar os resultados das experiências com a DPS, de acordo com os principais objetivos da experiência AWAKE.