« L'accélération par champ de sillage plasma, c'est comme faire du surf, » explique Edda Gschwendtner, responsable du projet de R&D AWAKE au CERN.

AWAKE s'apprête à entamer, le 31 juillet, sa deuxième phase de collecte de données, avec une toute nouvelle source de plasma. Alors que plusieurs projets de futurs collisionneurs ont pour ambition d'augmenter la taille d’un accélérateur afin d'accroître l'énergie des particules, AWAKE vise en fait l'inverse : comment réduire la taille d'un accélérateur de particules tout en augmentant l’énergie des particules, au moyen d'une nouvelle méthode d'accélération des particules.

« Imaginez un bateau sur un lac et des surfeurs attendant une vague. Le bateau passe à côté des surfeurs et crée des vagues ; les surfeurs sautent sur la vague et prennent de la vitesse. C'est le même principe avec l'accélération par champ de sillage plasma. Nous avons un plasma (le lac) dans lequel le faisceau (le bateau) produit des vagues, puis nous injectons des particules (les surfeurs) sur les vagues pour qu'elles soient accélérées », explique Edda Gschwendtner dans son exposé TEDxCERN.

Un champ de sillage plasma est un type d'onde généré par des particules se déplaçant dans un plasma. AWAKE envoie un faisceau de protons en provenance du Supersynchrotron à protons (SPS) à travers une cellule plasma afin de produire un champ de sillage. Un deuxième faisceau – le faisceau d'électrons « témoin » (les surfers) – est alors accéléré par ce champ de sillage ; son énergie peut alors augmenter de plusieurs gigavolts. Dans le but de démontrer les avantages de l'accélération par champ de sillage plasma par rapport aux technologies conventionnelles, telles que les cavités radiofréquence (RF), l'expérience AWAKE a mis en œuvre de nouveaux prototypes et de nouvelles approches pour la production de sources de plasma.

La nouvelle source de plasma à vapeur de rubidium d'AWAKE mesure 10 mètres de long, comme celles utilisées lors des exploitations précédentes, mais utilise à présent une marche de densité permettant d'obtenir des champs de sillage plus forts. Cette nouvelle source est divisée en segments dont la température peut être contrôlée indépendamment sur toute la longueur de la source.

L'ancienne source de plasma a été retirée du tunnel il y a quelques mois. La source améliorée qui l’a remplacée a été développée conjointement par l'Institut Max Planck de physique, à Munich en Allemagne, et l'entreprise Wright Design, au Royaume-Uni. Ce fut une occasion unique pour tester un autre prototype : la source de plasma à décharge, développée par l'IST-Lisbonne au Portugal et le groupe Vide, surfaces et revêtements du CERN. La source de plasma à décharge est susceptible d’être utilisée lors de l'exploitation d'AWAKE après le troisième long arrêt du CERN. Elle pourrait virtuellement être adaptée à des échelles supérieures, au-delà de 10 mètres, sans qu’il soit nécessaire d’aller jusqu’à des dizaines de kilomètres, comme l’exigent les technologies d’accélérateur conventionnelles.

« Plus la source de plasma est longue, plus l'énergie du faisceau témoin est élevée, explique Alban Sublet, physicien appliqué au sein du groupe Vide, surfaces et revêtements, à propos de l'avantage d'une source de plasma évolutive. Nous avons réussi à effectuer diverses mesures lors du test avec la source de plasma à décharge ; par exemple nous avons étudié la manière dont différents gaz, tels que l'hélium ou le xénon, différentes pressions de gaz et différentes longueurs de plasma affectent le faisceau de protons et les champs de sillage. »

On utilise la source de vapeur de rubidium ou la source de plasma à décharge pour obtenir les mêmes propriétés du plasma, mais de manière différente : par ionisation laser pour la source de rubidium et par décharge pulsée à courant continu dans différents gaz pour la source de plasma à décharge. Grâce à une feuille de route scientifique claire, l'expérience AWAKE a déjà parcouru un long chemin ; elle envisage à présent ses premières applications en physique des particules pour la prochaine décennie.

« L'expérience AWAKE a débuté en 2016 et les deux premières années ont été consacrées à la validation du concept. Nous avons réussi à montrer qu'il est tout à fait possible d'utiliser le faisceau de protons du SPS pour entraîner le champ de sillage dans une source de plasma de 10 mètres de long. Nous avons également réussi à accélérer des électrons jusqu'à une énergie très élevée. Nous en sommes très heureux, souligne Edda Gschwendtner. Nous passons maintenant à la phase suivante de l'expérience, lors de laquelle nous voulons démontrer que nous pouvons accélérer des électrons à des énergies élevées et contrôler la qualité du faisceau. C'est très important, car c'est ce dont nous avons besoin pour un accélérateur opérationnel ».