Næste generation af partikelstrålekølingseksperiment i gang ved Fermilab accelerator

Før forskere kan smadre partikelstråler sammen for at studere højenergipartikelinteraktioner, de skal skabe disse stråler i partikelacceleratorer. Og jo tættere partiklerne er pakket i bjælkerne, jo bedre videnskabsmænds chancer for at få øje på sjældne fysikfænomener.

At gøre en partikelstråle tættere eller lysere svarer til at stikke en oppustet ballon i fryseren. Ligesom at reducere den tilfældige bevægelse af gasmolekylerne inde i ballonen får ballonen til at skrumpe, at reducere den tilfældige bevægelse af partiklerne i en stråle gør strålen tættere. Men fysikere har ikke frysere til partikler, der bevæger sig tæt på lysets hastighed - så de udtænker andre smarte måder at køle strålen ned på.

Et eksperiment i gang med Fermilabs Integrable Optics Test Accelerator søger at være den første til at demonstrere optisk stokastisk køling, en ny strålekøleteknologi, der har potentialet til dramatisk at fremskynde køleprocessen. Hvis det lykkes, Teknikken ville gøre det muligt for fremtidige eksperimenter at generere lysere stråler af ladede partikler og studere tidligere utilgængelig fysik.

"Der er denne række af energier - omkring 10 til 1, 000 GeV — hvor der i øjeblikket ikke eksisterer nogen teknologi til afkøling af protoner, og det er her optisk stokastisk køling kunne anvendes i øjeblikket, " sagde Fermilab videnskabsmand Alexander Valishev, lederen af ​​det team, der designede og konstruerede IOTA. "Men hvis vi udvikler det, så er jeg sikker på, at der kommer andre ansøgninger."

I januar, IOTAs OSC-eksperiment begyndte at tage data. IOTA er støttet af US Department of Energy Office of Science.

OSC fungerer efter samme princip som konventionel stokastisk køling, en teknologi udviklet af Simon van der Meer og udnyttet af Carlo Rubbia til opdagelsen af ​​W- og Z-bosonerne i 1983. Van der Meer og Rubbia vandt 1984 Nobelprisen i fysik for deres arbejde, som siden har fundet anvendelse i mange partikelacceleratorer.

Stokastisk afkøling giver en måde at måle, hvordan partiklerne i en stråle bevæger sig væk fra den ønskede bane og anvende korrektioner for at skubbe dem tættere sammen, dermed gøre strålen tættere. Teknikken afhænger af samspillet mellem ladede partikler og den elektromagnetiske stråling, de udsender.

Når ladede partikler såsom elektroner eller protoner bevæger sig i en buet bane, de udstråler energi i form af lys, hvilket en pickup i speederen registrerer. Hvert lyssignal indeholder information om den gennemsnitlige position og hastighed af en "bunke" af millioner eller milliarder af partikler.

Så tilfører en elektromagnetenhed kaldet en kicker det samme signal tilbage på flokken for at korrigere enhver vildfaren bevægelse, som en fodboldspiller, der sparker en bold for at holde den inden for rammerne. Hvert spark bringer den gennemsnitlige partikelposition og hastighed tættere på den ønskede værdi, men individuelle partikler kan stadig drive væk. For at korrigere bevægelsen af ​​individuelle partikler og skabe en tæt stråle, processen skal gentages mange tusinde gange, mens strålen cirkulerer i acceleratoren.

Traditionel stokastisk køling bruger elektromagnetiske signaler i mikrobølgeområdet, med centimeter lange bølgelængder. OSC bruger synligt og infrarødt lys, med bølgelængder omkring en mikron - en milliontedel af en meter.

"Skalaen er sat af bølgelængden, " sagde Valishev. "De kortere bølgelængder betyder, at vi kan læse stråleinformationen med højere opløsning og bedre nøjagtige korrektioner."

Den højere opløsning gør det muligt for OSC at give mere præcise kicks til mindre grupper af partikler. Mindre grupper af partikler kræver færre spark for at afkøle, ligesom en lillebitte ballon afkøles hurtigere end en stor, når den lægges i fryseren. Hver partikel bliver sparket en gang pr. omgang rundt om speederen. Da der kræves færre spark, hele strålen afkøles efter færre omgange.

I princippet, OSC kunne fremskynde stråleafkøling med en faktor 10, 000 sammenlignet med konventionel stokastisk køling. Det første demonstrationseksperiment på IOTA, som bruger en medium-energi elektronstråle, har et mere beskedent mål. Mens strålen cirkulerer i acceleratoren og udstråler lys, det mister energi, afkøling af sig selv på ca. 1 sekund; IOTA søger en tidobling af den nedkølingstid.

Forslag til OSC vakte interessen hos acceleratorsamfundet så tidligt som i 1990'erne, men indtil videre har en succesfuld implementering undgået forskere. Udnyttelse af kortere bølgelængder af lys rejser en række tekniske udfordringer.

"De relative positioner af alle de relevante elementer skal kontrolleres på niveau med en kvart bølgelængde eller bedre, " sagde Valishev. "Ud over det, du skal læse bølgepakken fra strålen, og så skal du transportere den, forstærke det, og påfør det derefter tilbage på den samme stråle. Igen, alt skal gøres med denne ekstreme præcision."

IOTA viste sig at være den perfekte accelerator til jobbet. Det centrale i Fermilab Accelerator Science and Technology-faciliteten, IOTA har et fleksibelt design, der gør det muligt for forskere at skræddersy komponenterne i beamline, når de skubber grænserne for acceleratorvidenskab.

IOTAs OSC-eksperiment begynder med elektroner, fordi disse lette partikler nemt og billigt kan accelereres til de hastigheder, hvormed de udstråler synligt og infrarødt lys. I fremtiden, forskere håber at kunne anvende teknikken på protoner. På grund af deres større masse, protoner skal nå højere energier for at udstråle det ønskede lys, gør dem sværere at håndtere.

I første omgang, IOTA vil studere passiv køling, hvor lyset, der udsendes af elektronstrålen, ikke vil blive forstærket, før det skinner tilbage på strålen. Efter at den forenklede tilgang lykkes, holdet vil tilføje optiske forstærkere for at styrke lyset, der giver de korrigerende spark.

Ud over at levere en ny køleteknologi til højenergipartikelkolliderer, OSC kunne forbedre studiet af fundamental elektrodynamik og interaktioner mellem elektroner og fotoner.

"Optisk stokastisk køling er en blanding af forskellige områder af moderne eksperimentel fysik, fra acceleratorer og stråler til lysoptik, alt sammen i én pakke, " sagde Valishev. "Det gør det meget udfordrende og også meget stimulerende at arbejde på."