A Nagy Hadronütköztető szupravezető mágnesekből álló gyűrűje a svájci-francia határnál, 100 méterrel a föld alatt mintegy 27 kilométer hosszúságban nyújtózik körbe, az utódjául készülő Future Circular Collider (FCC) pedig ennél is hosszabb, 100 kilométeres körütköztető lesz, amiben azokat a kísérleteket tudják majd folytatni a kutatók, amelyeket az LHC High Luminosity fázisában kezdenek meg hamarosan. Az FCC óriási méreteit a benne elvégzett vizsgálatok természete indokolja: ahhoz, hogy eddig nem látott, egzotikus részecskéket fedezzenek fel a kutatók vagy a fizika eddig megválaszolatlan kérdéseivel kapcsolatban több információt szerezzenek, egyre nagyobb és nagyobb energiával kell ütköztetni a részecskéket, amit a hosszú körgyűrűk segítenek elő.

A nagyobb energia azonban más módon is generálható, olyan módszerrel, amivel rövidebb gyorsítókban lehet elérni ugyanazt vagy még jobb hatást, mint a sok kilométeres berendezésekben. A CERN AWAKE kísérletében ilyen metódust fejlesztenek, méghozzá a világon egyedülálló módon protonsugarak használatával. Az AWAKE (Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment) lényege, hogy a plazmát közvetítőközegként alkalmazva egy sugárral gyorsítanak fel egy másikat, ami révén a részecskék extra energiát kapnak. A projekt vezetőjének, Edda Gschwendtner fizikusnak hasonlata szerint a folyamatot úgy kell elképzelni, mintha egy tavon áthaladó hajót és az általa keltett hullámok hátán szörföző embereket figyelnénk - a tó a plazmát reprezentálja, a hajó a protonsugarat, ami úgynevezett ébredő teret (wakefield) generál, a szörfösök pedig a plazmába injektált elektronok, amelyeket a "hullámok" gyorsítanak rendkívüli szintre.

Az első sugárhoz lehetséges más típusú impulzusokat is használni, például erős lézert vagy elektronsugarat, de a protonsugár a leghatásosabb, mivel a protonok nagy energiája miatt a sugár hosszú utat tud megtenni a plazmában és nagy energiát tud biztosítani az elektronoknak. A kísérletben a protonokat a CERN szuper protonszinkrotron berendezésével állítják elő, ami a komplexum második legnagyobb gyorsítója az LHC után: 7 kilométer hosszú és több kísérlethez is szolgáltatja a protonsugarakat.

Az AWAKE során használt módszer viszonylag újkeletűnek számít, tekintve, hogy a projekt terveit tíz éve, 2013-ban fogadták el és az első erős ébredő tereket (hullámokat), amelyeket a protonsugár keltett a plazmában, a 2016-os/2017-es kísérleti tesztfázis alatt figyelték meg a kutatók. 2018-ban sikerült elérni első ízben a több GeV (gigaelektronvolt) energiát az elektronok gyorsítása során és 2021-ben kezdődött az előkészületek és tesztek második fázisa, ami azóta is tart. Következő lépésként már nem csak a minél nagyobb energiaszint elérése a cél, hanem a protonsugarak minőségének megőrzése is és a kísérlet skálázhatóságának bizonyítása. Az adatgyűjtés újabb szakasza, immár egy újfajta és a korábbinál sűrűbb plazma típust alkalmazva, július 31-én indul, melynek során rubídiumot is használnak plazma gyanánt, aminek hőmérsékletét precízebben tudják kontrollálni. A berendezésben kétféle plazma található, amelyek sűrűsége eltér egymástól, ezzel is segítve az elektronok gyorsítását.

A mostani vizsgálatokban 10 méteres távon valósítják meg az elektronok "szörfözését" a kutatók, de a jövőben nagyobb berendezést is építenek. A cél azonban nem a sok tíz vagy száz kilométer hosszú gyorsító létrehozása, hanem éppen ellenkezőleg egy olyan kompakt, körülbelül 100 méteres eszköz megalkotása, ami a hosszabb gyorsítók teljesítményével vetekszik, miközben könnyebben kezelhető méretű marad. Az AWAKE-kel akár méterenként 1 GeV-ra vagy még többre gyorsíthatóak az elektronok, ami a hagyományos, például a Nagy Hadronütköztetőben alkalmazott technika teljesítményét (egy méterre vetítve) felülmúlja.

(Fotó: Maximilien Brice/CERN)