Équipement installé dans un tunnel
Extrémité aval de la source de plasma et instrumentation (Image: CERN)

L’expérience AWAKE (Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment) est un projet de R&D sur les accélérateurs mené au CERN, qui étudie l’utilisation de champs de sillage plasma entraînés par des paquets de protons pour accélérer des particules chargées.

Un champ de sillage plasma est un type d'onde généré par des particules se déplaçant dans un plasma. Pour produire ces champs de sillage, AWAKE envoie des faisceaux de protons à travers des cellules plasma. Grâce à ces champs de sillage, il serait possible d’atteindre des gradients d’accélération des centaines de fois plus élevés que ceux qu'on obtient dans les cavités radiofréquence actuelles. Ainsi, les futurs collisionneurs pourraient atteindre des énergies plus élevées sur des distances plus courtes qu'il n'est possible aujourd'hui.

AWAKE utilise des faisceaux de protons en provenance du Supersynchrotron à protons (SPS). Ces protons sont injectés dans une cellule plasma de 10 mètres de long afin de produire de forts champs de sillage. Un deuxième faisceau – le faisceau d'électrons « témoin » – est alors accéléré par ces champs de sillage ; son énergie peut alors augmenter de plusieurs gigavolts. Le projet AWAKE ayant été approuvé à l’automne 2013, les premiers faisceaux de protons ont été envoyés à la cellule plasma fin 2016. Pendant la période d'exploitation 2016-2017, de forts champs de sillage produits dans le plasma par des faisceaux de protons ont été observés pour la première fois et étudiés de façon approfondie. En 2018, c'est dans ces champs de sillage plasma que l'expérience AWAKE a démontré pour la première fois l'accélération d'électrons jusqu'à des niveaux d'énergie de plusieurs GeV.

La deuxième phase du projet AWAKE a débuté avec succès en 2021 et durera plusieurs années. Son objectif est de poursuivre la recherche et le développement sur l'accélération par champ de sillage plasma entraîné par des protons jusqu'à ce qu'il soit possible de proposer des applications en physique des particules. À cette fin, AWAKE démontrera qu'il est possible d'accélérer des électrons jusqu'à une énergie de plusieurs GeV sans nuire à la qualité du faisceau ni à l'évolutivité de l'expérience.

AWAKE est la première expérience au monde d'accélération par champ de sillage plasma entraîné par des protons. AWAKE permettra, non seulement de démontrer qu'il est possible d'utiliser des protons pour produire des champs de sillage, mais aussi de développer les technologies nécessaires pour des projets à long terme d’accélération plasma entraînée par des protons.

AWAKE est une collaboration scientifique internationale constituée de 23 instituts et comptant plus de 90 ingénieurs et physiciens (mai 2023).

Edda Gschwendtner, responsable du projet AWAKE, explique en 2015, dans son exposé TEDxCERN, comment le principe consistant à « surfer » sur les champs de sillage pourrait être utilisé à l'avenir pour créer des accélérateurs plus petits. (Vidéo : TEDx)