Lab demonstrerer med succes ny teknik til at forbedre partikelstråler

Fysikere elsker at smadre partikler sammen og studere det resulterende kaos. Deri ligger opdagelsen af ​​nye partikler og mærkelig fysik, genereret i små brøkdele af et sekund og genskabende forhold, som ofte ikke er set i vores univers i milliarder af år. Men for at magien kan ske, skal to stråler af partikler først støde sammen.

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Fermi National Accelerator Laboratory har annonceret den første succesrige demonstration af en ny teknik, der forbedrer partikelstråler. Denne demonstration kan bruges i fremtidige partikelacceleratorer til potentielt at bruge metoden til at skabe bedre, tættere partikelstråler, øge antallet af kollisioner og give forskere en bedre chance for at udforske sjældne fysikfænomener, der hjælper os med at forstå vores univers. Holdet offentliggjorde sine resultater i en nylig udgave af Nature .

Partikelstråler er lavet af milliarder af partikler, der rejser sammen i grupper kaldet bundter. Kondensering af partiklerne i hver stråle, så de er pakket tæt sammen, gør det mere sandsynligt, at partikler i kolliderende klaser vil interagere - på samme måde som flere mennesker, der forsøger at komme gennem en døråbning på samme tid, er mere tilbøjelige til at støde hinanden, end når de går igennem et vidt åbent rum.

At pakke partikler sammen i en stråle kræver noget, der ligner det, der sker, når man sætter en oppustet ballon i en fryser. Afkøling af gassen i ballonen reducerer den tilfældige bevægelse af molekylerne og får ballonen til at skrumpe. "Afkøling" af en stråle reducerer partiklernes tilfældige bevægelse og gør strålen smallere og tættere.

Hos Fermilab brugte forskere laboratoriets nyeste lagerring, Integrable Optics Test Accelerator, kendt som IOTA, til at demonstrere og udforske en ny slags strålekøleteknologi med potentiale til dramatisk at fremskynde denne køleproces.

"IOTA blev bygget som en fleksibel maskine til forskning og udvikling inden for acceleratorvidenskab og teknologi," sagde Jonathan Jarvis, en videnskabsmand hos Fermilab. "Denne fleksibilitet gør det muligt for os hurtigt at omkonfigurere lagerringen til at fokusere på forskellige muligheder med stor effekt. Det er præcis, hvad vi har gjort med denne nye køleteknik."

Den nye teknik kaldes optisk stokastisk køling, og dette kølesystem måler, hvordan partikler i en stråle bevæger sig væk fra deres ideelle kurs ved hjælp af en speciel konfiguration af magneter, linser og anden optik til at give korrigerende skub.

Denne form for kølesystem måler, hvordan partikler i en stråle bevæger sig væk fra deres ideelle kurs og bruger derefter en speciel konfiguration af magneter, linser og anden optik til at give korrigerende skub. Det virker på grund af et særligt træk ved ladede partikler som elektroner og protoner:Når partiklerne bevæger sig langs en buet bane, udstråler de energi i form af lysimpulser, der giver information om positionen og hastigheden af ​​hver partikel i bundtet. Strålekølesystemet kan indsamle disse oplysninger og bruge en enhed kaldet en kicker-magnet til at støde dem tilbage på linje.

Konventionel stokastisk køling, som gav sin opfinder, Simon van der Meer, en del af Nobelprisen i 1984, virker ved at bruge lys i mikrobølgeområdet med bølgelængder på flere centimeter. I modsætning hertil bruger optisk stokastisk køling synligt og infrarødt lys, som har bølgelængder omkring en milliontedel af en meter. Den kortere bølgelængde betyder, at forskerne kan fornemme partiklernes aktivitet mere præcist og foretage mere nøjagtige korrektioner.

For at forberede en partikelstråle til eksperimenter sender acceleratoroperatører den adskillige gange gennem kølesystemet. Den forbedrede opløsning af optisk stokastisk køling giver mere præcise kicks til mindre grupper af partikler, så færre omgange omkring opbevaringsringen er nødvendige. Med strålen afkølet hurtigere, kan forskere bruge mere tid på at bruge disse partikler til at producere eksperimentelle data.

Kølingen hjælper også med at bevare stråler ved konstant at regere i partiklerne, når de hopper af hinanden. I princippet kunne optisk stokastisk køling øge den avancerede kølehastighed med op til en faktor på 10.000.

Denne første demonstration på IOTA brugte en medium-energi elektronstråle og en konfiguration kaldet "passiv køling", som ikke forstærker lysimpulserne fra partiklerne. Holdet observerede med succes effekten og opnåede omkring en tidoblet stigning i afkølingshastighed sammenlignet med den naturlige "strålingsdæmpning", som strålen oplever i IOTA. De var også i stand til at kontrollere, om strålen køler i en, to eller alle tre dimensioner. Endelig, ud over at køle stråler med millioner af partikler, kørte forskere også eksperimenter, der studerede afkølingen af ​​en enkelt elektron lagret i acceleratoren.

"Det er spændende, fordi dette er den første køleteknik, der er demonstreret i det optiske regime, og dette eksperiment lader os studere mest den væsentlige fysik i køleprocessen," sagde Jarvis. "We've already learned a lot, and now we can add another layer to the experiment that brings us significantly closer to real applications."

With the initial experiment completed, the science team is developing an improved system at IOTA that will be the key to advancing the technology. It will use an optical amplifier to strengthen the light from each particle by about a factor of 1,000 and apply machine learning to add flexibility to the system.

"Ultimately, we'll explore a variety of ways to apply this new technique in particle colliders and beyond," Jarvis said. "We think it's very cool." + Udforsk yderligere

Next-generation particle beam cooling experiment under way at Fermilab accelerator