Properties of the hosing and self-modulation of long particle beams in overdense plasma

A aceleração baseada em plasma (ABP) poderá reduzir significativamente a dimensão e/ou o custo dos colisores de partículas, que têm sido instrumentais para obter descobertas fundamentais na física e cujos limites técnicos se está a tornar cada vez mais dispendioso desafiar. Os conceitos de ABP dependem frequentemente da capacidade de manipular interações complexas entre feixe e plasma. Num desses conceitos, direcionado a aplicações na física de alta energia e que está a ser testado na experiência AWAKE no CERN, a onda de plasma usada para aceleração é impelida por um feixe de partículas longo e altamente energético.

Neste caso as interações em causa são as instabilidades de hosing e de automodulação. A instabilidade de auto-modulação (IAM) pode ser utilizada para produzir campos de esteira (wakefields) de alta amplitude a partir de um feixe longo, que de outra forma não seria adequado para excitar a onda de plasma. A instabilidade de hosing (IH) é indesejada, porque pode deteriorar o feixe e a estrutura do campo de esteira. Nesta dissertação, começamos por rever e alargar a teoria que descreve estas instabilidades. Utilizamos simulações particle-in-cell com o código OSIRIS para testar a robustez da IAM, especialmente após a sua saturação, a flutuações das condições iniciais.

A dependência das taxas de crescimento da IH e da IAM da frequência de perturbação é determinada para um regime adiabático e um regime inicial. Durante este regime inicial, mostramos que ambas as instabilidades podem ser interpretadas como osciladores harmónicos forçados, e que é possível controlar o seu crescimento ao "desafinar" a oscilação do plasma em resposta a uma perturbação do envelope (IAM) ou do centroide (IH) do feixe suficientemente cedo. No caso da IAM revelamos ainda um fenómeno de ressonância sub-harmónica. Todos estes resultados são validados com simulações. Esta nova compreensão do crescimento de instabilidades feixe-plasma pode ter implicações importantes para os aceleradores baseados em plasma.