Ny type elektronlinse til næste generations kollidere

At sende flok protoner, der suser rundt i en cirkulær partikelkolliderer for at mødes på et bestemt punkt, er ingen let bedrift. Mange forskellige kolliderkomponenter holder protonstråler på kurs - og for at forhindre dem i at blive uregerlige.

Forskere ved Fermilab opfandt og udviklede en ny kolliderende komponent for 20 år siden:elektronlinsen. Elektronlinser er stråler af elektroner dannet i specifikke former, der ændrer bevægelsen af ​​andre partikler - normalt protoner - der passerer gennem dem.

Den nu pensionerede Tevatron, en cirkulær kolliderer ved Fermilab, og Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ved Brookhaven National Laboratory har begge nydt godt af elektronlinser, et koncept oprindeligt udviklet hos Fermilab.

"Elektronlinser er som en schweizisk hærkniv til acceleratorer:De er relativt enkle og billige, men de kan anvendes på mange forskellige måder, " sagde Alexander Valishev, en Fermilab-forsker, der var medforfatter til en nylig undersøgelse for en ny elektronlinseapplikation, hvilket kan være afgørende for kommende kolliderer.

Innovationen er detaljeret beskrevet i en artikel offentliggjort den 27. september i Fysisk gennemgangsbreve .

"Dette lille gennembrud i bjælker og acceleratorers fysik er en slags begyndelse på en større opfindelse - det er en ny ting, " sagde Fermilabs Vladimir Shiltsev, en forfatter til det offentliggjorte papir. Shiltsev spillede også en stor rolle i oprindelsen af ​​elektronlinser i 1997. "Fermilab er kendt for opfindelser og udviklinger, der er, først, spændende, og så, funktionelle. Det er det, nationale laboratorier er bygget til, og det er, hvad vi har opnået."

En linse ind i fremtiden

Denne nye type elektronlinse, kaldet Landau dæmpningslinse, vil være en kritisk del af et kæmpe, prospektivt projekt i partikelfysisk forskning:Future Circular Collider på CERN. FCC ville skubbe grænserne for traditionelt kolliderdesign for yderligere at studere partikelfysikken ud over Higgs-bosonen, en fundamental partikel opdaget for kun fem år siden.

Den foreslåede FCC skal være en maskine med høj lysstyrke:Dens partikelstråler skal være kompakte og tætpakket. Sammenlignet med CERNs Large Hadron Collider, strålerne vil også have en dramatisk stigning i energi - 50 billioner elektronvolt, sammenlignet med LHC's stråleenergi på 7 billioner elektronvolt. Det indebærer en lige så dramatisk forøgelse af speederens størrelse. Med en planlagt omkreds på 100 kilometer, FCC ville dværge den 27 kilometer lange LHC.

Disse højenergi, superkollidere med høj lysstyrke oplever alle et problem, uanset størrelse:En intens stråle af protoner pakket ind i bredden af ​​menneskehår, der rejser over en lang afstand, kan blive ustabil, især hvis alle protonerne rejser på nøjagtig samme måde.

I en kolliderer, partikler ankommer i pakker kaldet bundter - omtrent fodlange strømme pakket med hundredvis af milliarder af partikler. En partikelstråle er dannet af snesevis, hundreder eller tusinder af disse bundter.

Forestil dig en cirkulær kolliderer som en smal racerbane, med protoner i en flok som en tæt pakke racerbiler. Et stykke affald dukker pludselig op midt på banen, forstyrrer trafikken. Hvis alle biler reagerer på samme måde, sige, ved at dreje skarpt til venstre, det kan føre til en større ophobning.

Inde i kollideren, det er ikke et spørgsmål om at undgå kun et bump på banen, men tilpasser sig adskillige dynamiske forhindringer, får protonerne til at ændre deres kurs mange gange. Hvis en anomali, såsom et knæk i kolliderens magnetfelt, opstår uventet, og hvis protonerne i strålen alle reagerer på den på samme måde på samme tid, selv en lille kursændring kunne hurtigt gå amok.

Man kunne undgå problemet ved at fortynde partikelstrålen fra start. Ved at bruge protonstråler med lavere tæthed, du giver mindre mulighed for, at protoner kommer ud af kurs. Men det ville betyde at fjerne protoner og så gå glip af potentiale for videnskabelig opdagelse.

En anden, bedre måde at løse problemet på er at indføre forskelle i strålen, så ikke alle protonerne i bundterne opfører sig på samme måde.

For at vende tilbage til racerbanen:Hvis kørerne alle reagerer på snavset på forskellige måder — nogle bevæger sig lidt til højre, andre lidt til venstre, en modig kører springer bare over toppen - bilerne kan alle smelte sammen igen og fortsætte løbet, ingen ulykker.

At skabe differentiering inden for en protongruppe ville i det væsentlige gøre det samme. Hver proton følger sin egen, aldrig så lidt anderledes kurs omkring kollideren. Denne måde, enhver afgang fra kurset er isoleret, snarere end sammensat af protoner, der alle opfører sig dårligt sammen, minimere skadelige strålesvingninger.

"Partikler i midten af ​​bundtet vil bevæge sig anderledes end partikler omkring ydersiden, " sagde Shiltsev. "Protonerne vil alle være noget rodet, men det er det, vi vil. Hvis de alle flytter sammen, de bliver ustabile."

Disse forskelle er normalt skabt med en speciel type magnet kaldet octupoler. Tevatronen, før dens nedlukning i 2011, havde 35 octupolmagneter, og LHC har nu 336.

Men efterhånden som kollidere bliver større og opnår større energier, de har brug for eksponentielt højere antal magneter:FCC vil kræve mere end 10, 000 octupol magneter, hver en meter lang, for at opnå de samme strålestabiliserende resultater som tidligere kolliderere.

At mange magneter fylder meget:så meget som 10 af FCC's 100 kilometer.

"Det virker latterligt, " sagde Shiltsev. "Vi leder efter en måde at undgå det på."

Det videnskabelige samfund anerkender den Landau-dæmpende ikke-lineære linse som en sandsynlig løsning på dette problem:En enkelt en meter lang elektronlinse kunne erstatte alle 10, 000 octupol magneter og muligvis gøre et bedre stykke arbejde med at holde stråler stabile, når de hastighed mod kollision, uden at introducere nye problemer.

"Hos CERN har de omfavnet ideen om denne nye elektronlinsetype, og folk der vil studere dem mere detaljeret for FCC, " sagde Valishev. "I betragtning af det, vi hidtil ved om de problemer, som de fremtidige kolliderere vil stå over for, dette ville være et apparat med ekstrem høj kritikalitet. Det er derfor, vi er spændte."

Elektron lego

Landau-dæmpningslinsen vil slutte sig til to andre elektronlinsetyper i repertoiret af værktøjer, som fysikere har til at modificere eller kontrollere stråler inde i en kolliderer.

"Efter mange års brug, folk er meget glade for elektronlinser:Det er et af de instrumenter, der bruges til moderne acceleratorer, som magneter eller superledende hulrum, " sagde Shiltsev. "Elektronlinser er kun en af ​​byggeklodserne eller Lego-stykkerne."

Elektronlinser minder meget om Lego:Lego-brikker er lavet af samme materiale og kan have samme farve, men en anden form afgør, hvordan de kan bruges. Elektronlinser er alle lavet af skyer af elektroner, formet af magnetiske felter. Linsens form dikterer, hvordan linsen påvirker en stråle af protoner.

Forskere udviklede den første elektronlinse hos Fermilab i 1997 til brug for at kompensere for såkaldte beam-beam effekter i Tevatron, og en lignende type elektronlinse er stadig i brug på Brookhaven's RHIC.

I cirkulære kollidere, partikelstråler passerer forbi hinanden, går i modsatte retninger inde i kollideren, indtil de styres ind i en kollision på bestemte punkter. Mens bjælkerne summer af hinanden, de udøver en lille kraft på hinanden, hvilket får protonbundterne til at udvide sig lidt, reducere deres lysstyrke.

Den første elektronlinse, kaldet stråle-strålekompensationslinsen, blev skabt for at bekæmpe interaktionen mellem bjælkerne ved at presse dem tilbage til deres originale, kompakt tilstand.

Efter succesen med denne elektronlinsetype i Tevatron, forskere indså, at elektronstråler kunne formes en anden måde at skabe en anden type elektronlinse på.

Forskere designede den anden linse til at være formet som et sugerør, tillader protonstrålen at passere gennem indersiden upåvirket. Den lejlighedsvise proton kan forsøge at forlade sin gruppe og forvilde sig fra midten af ​​strålen. I LHC, at miste selv en tusindedel af det samlede antal protoner på en ukontrolleret måde kan være farligt. Elektronlinsen fungerer som en skraber, fjernelse af disse useriøse partikler, før de kunne beskadige kollideren.

"Det er ekstremt vigtigt at have evnen til at skrabe disse partikler, fordi deres energi er enorm, " sagde Shiltsev. "Ukontrolleret, de kan bore huller, bryde magneter eller producere stråling."

Begge typer elektronlinser har sat deres præg i kolliderdesign som en del af Tevatrons succes, RHIC og LHC. Den nye Landau dæmpningslinse kan hjælpe med at indvarsle den næste generation af kollidere.

"Elektronlinsen er et eksempel på noget, der blev opfundet her på Fermilab for 20 år siden, " sagde Shiltsev. "Dette er en af ​​de sjældne teknologier, der ikke bare blev bragt til perfektion hos Fermilab:Den blev opfundet, udviklet og perfektioneret og fortsætter stadig med at skinne."