Artikkel

Surfer på plasmabølger

AWAKE-eksperimentet på CERN
Resultater fra AWAKE-eksperimentet ved CERN viser lovende takter for akselerasjon ved bruk av bølger i et plasma. Foto: CERN

Surfer på plasmabølger

Et nytt konsept for partikkelakselerasjon viser lovende takter. Teknologien drives fram av forskning på de mest grunnleggende sammenhengene i naturen, men kan også få betydning innen medisin og industri. Resultater fra de nye eksperimentene ved CERN er nylig publisert i Nature.

Hvis du hører ordet «partikkelakselerator», tipper vi du tenker – om noe! – på maskiner som CERNs Large Hadron Collider (LHC), den 27 kilometer lange, ringformede maskinen på grensa mellom Sveits og Frankrike.

Partikkelakseleratorer ble opprinnelig utviklet for fysikkeksperimenter, men er tatt i bruk til en rekke andre formål, som kreftbehandling med stråleterapi og materialforskning. Verdens kraftigste er imidlertid LHC, den som oppdaget Higgsbosonet i 2011.

100 kilometer akselerator

Skal maskinene avsløre flere av naturens grunnleggende sammenhenger, må de bli enda kraftigere og dermed større: Den neste sirkelakseleratoren på tegnebrettet er hele 100 kilometer lang.

Carl Andreas Lindstrøm (t.v.) og Erik Adli
Carl Andreas Lindstrøm (t.v.) og Erik Adli. Veronica Berglyd Olsen var på CERN da bildet ble tatt. Foto: Hilde Lynnebakken/UiO

– Dagens teknologi har begrensninger, sier Erik Adli, som har akseleratorfysikk som fagfelt. Siden 2011 har han jobbet med alternativ teknologi, først ved Stanford, deretter på UiO og eksperimentet AWAKE ved CERN.

Resultater fra AWAKE viser lovende takter for akselerasjon ved bruk av bølger i et plasma: plasmabølgeakselerasjon.

Dagens teknologi er basert på å akselerere partikler med elektromagnetiske felt laget med vekselspenning. I et plasma kan det skapes mye sterkere felt, og dermed er det mulig å få til mye mer effektiv partikkelakselerasjon – dersom en får det til i praksis.

Mer kompakt med plasma

Akselerasjonen over en gitt avstand er allerede flere ganger høyere enn tilgjengelig teknologi, skriver AWAKE i en pressemelding i forbindelse med publisering av resultatene i Nature 29. august.

– Med de nye resultatene viser vi at det i prinsippet er mulig å akselerere elektroner i et protondrevet plasma og dermed redusere størrelsen på akseleratorene, forteller Adli. 

I AWAKE lages plasma i en ti meter lang tank ved å varme opp rubidium til gass og omdanne gassen til plasma (frie elektroner og ioner) ved hjelp av laser.

– Vi lager bølger i plasmaet med protoner ved høy hastighet, forteller Adli.

Protonene er hentet fra akseleratoren SPS, som er siste ledd i rekken av akseleratorer som brukes til å fylle LHC med protoner.

Elektronene som forskerne er interessert i å akselerere, «surfer» på bølgene som protonstrålene lager i plasmaet.

I eksperimentene som AWAKE-forskerne gjennomførte våren 2018, greide de å akselerere elektroner rundt 200 megavolt pr. meter (MV/m). Prosjektet har som målsetning å greie 1000 MV/m. Til sammenlikning er tilsvarende tall for de neste elektron-akseleratorene som planlegges 30-100 MV/m.

– Den store fordelen med å bruke protoner fra akseleratorene på CERN til å drive plasma, er at hver protonbunt inneholder nok energi til å akselerere elektroner opp til TeV-energier – LHC er for eksempel designet for 14 TeV – i én lang plasmatank, sier Adli.

Vil du ha flere forskningsnyheter om realfag og teknologi? Følg Titan.uio.no på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt

Energibruk som en liten by

Til tross for lovende resultater er det et stykke fram til plasmabølgeteknologien kan tas i praktisk bruk. 

– Det er flere utfordringer som må løses, sier Carl Andreas Lindstrøm, doktorgradsstipendiat i akseleratorteknologi.

– For det første må vi ha mest mulig akselerasjon pr. meter. Plasmabølgeakselerasjon har egentlig ingen grense for hvor høy akselerasjon og dermed hvor kompakt akseleratorene kan bli.

– Med de nye resultatene fra AWAKE har vi vist i praksis at dette er mulig ved å bruke protoner, sier Lindstrøm.

Hvor mye energi som trengs, er også en utfordring for kraftige akseleratorer.

– Det dreier seg om hundrevis av MW-effekt, like mye som en liten by. AWAKE har lovende resultater også på energieffektivitet, påpeker Lindstrøm.

Neste fase for prosjektet blir å undersøke om denne teknologien kan gi god nok kvalitet på elektronstrålen.

LHC skrus av for oppgradering mot slutten av året, men fra 2021 blir det en ny runde eksperimenter, også for AWAKE.

5 nanometer stråle

 Hva innebærer kvalitet for en elektronstråle?

– Spørsmålet er egentlig hvor liten og kompakt vi klarer å lage den, forklarer Lindstrøm.

I fysikkeksperimenter skal elektronstrålen treffe en tilsvarende stråle positroner, elektronets antipartikkel.

For at de ørsmå partiklene skal treffe hverandre, må strålen være veldig fokusert, typisk et tverrsnitt på 5 nm x 500 nm. Å få til dette er den store utfordringen i plasmabølgeakselerasjon.

Veronica Berglyd Olsen har i doktorgradsarbeidet sitt studert hvordan en kan bevare kvalitet på elektron-bunter gjennom en plasma-akselerator.

– Det er ganske utfordrende, sier hun. Utfordringen ligger i at de akselererende feltene ikke er helt uniforme. 

Berglyds studier har forslag til hvordan dette kan gjøres i praksis ved å finstille på flere parametre.

– For å bevare strålekvaliteten fra start til slutt, må en være pinlig nøyaktig på alle trinn i maskinen. Det er lett å ødelegge en elektronstråle!

Om kvaliteten er bra nok til at plasmabølgeakselerasjon kan bli neste generasjon akseleratorteknologi, vet vi altså mer om en gang etter 2021.

Den vitenskapelige artikkelen:

Acceleration of electrons in the plasma wakefield of a proton bunch

Mer på Titan.uio.no:

Vite mer om AWAKE? Se video med prosjektleder Edda Gschwendtner (CERN):

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Hunnene av den sørlige vågehvalen kan veie opptil 14 tonn, men nå er de blitt magrere.

Endelig enighet om at den sørlige vågehvalen er blitt avmagret

De sørlige vågehvalene, som lever i havområdene rundt Antarktis, har vært gjennom en kraftig avmagring etter 1988. Men det skulle ta 11 år med diskusjoner, og til sist en heftig innsats fra norske statistikere, før Den internasjonale hvalfangstkommisjonen kom fram til den konklusjonen.

Brecht Verstraete og Hugo de Boer

Identifiserer planterester ved hjelp av "strekkoder" i DNA

Hugo de Boer og Brecht Verstraete ved Naturhistorisk museum skal bruke DNA-teknologi og molekylære metoder til å utvikle nye, raskere og enklere metoder for sikker identifisering av planter og planterester. Både tollvesenet og tilsynsmyndigheter i mange land er interessert i denne forskningen, som kan brukes til å avsløre svindel.

Andreas Carlson med de magiske dråpene som gjør at overflater kan endre egenskaper

Ny type materialer har overflate med justerbare egenskaper

Nå kommer en ny type materialer hvor overflatens egenskaper kan varieres ved å justere et magnetfelt. Da kan materialet gjøre så forskjellige ting som å fjerne biofilmer, pumpe små væskestrømmer, flytte små partikler – eller fungere som et lim som slås av og på.

Reidunn Aalen med planteforskernes

– Blader, frukt og frø detter ikke ned av seg selv!

– Tenk om bøndene kunne redigere genene i plantene de dyrker, slik at frukter og frø felles mer koordinert enn i dag. Da kunne vi få mye større avlinger enn i dag uten å øke arealene eller gjødslingen, sier professor Reidunn Aalen. Den drømmen har kommet nærmere etter at Aalen og kollegene har funnet en gruppe gener som er minst 175 millioner år gamle.