Enviar racimos de protones a toda velocidad alrededor de un colisionador circular de partículas para encontrarse en un punto específico no es tarea fácil. Muchos componentes diferentes del colisionador mantienen el rumbo de los haces de protones y evitan que se vuelvan rebeldes.

Los científicos de Fermilab inventaron y desarrollaron un nuevo componente de colisionador hace 20 años:la lente electrónica. Las lentes de electrones son haces de electrones formados en formas específicas que modifican el movimiento de otras partículas, generalmente protones, que pasan a través de ellas.

El ahora retirado Tevatron, un colisionador circular en Fermilab, y el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del Laboratorio Nacional de Brookhaven se han beneficiado de las lentes de electrones, un concepto desarrollado originalmente en Fermilab.

"Las lentes de electrones son como una navaja suiza para los aceleradores:son relativamente simples y económicas, pero se pueden aplicar de diversas formas, "dijo Alexander Valishev, un científico del Fermilab que fue coautor de un estudio reciente para una nueva aplicación de lentes de electrones, lo que podría ser crucial para los próximos colisionadores.

La innovación se detalla en un artículo publicado el 27 de septiembre en Cartas de revisión física .

"Este pequeño avance en la física de rayos y aceleradores es una especie de comienzo de un invento más grande, es algo nuevo, "dijo Vladimir Shiltsev de Fermilab, un autor del artículo publicado. Shiltsev también jugó un papel importante en el origen de las lentes de electrones en 1997. "Fermilab es conocido por invenciones y desarrollos que son, primero, excitante, y luego, funcional. Para eso están diseñados los laboratorios nacionales, y eso es lo que hemos logrado ".

Una lente hacia el futuro

Este nuevo tipo de lente de electrones, llamado lente de amortiguación Landau, será una parte fundamental de una gran, Proyecto prospectivo de investigación en física de partículas:el Future Circular Collider del CERN. La FCC ampliaría los límites del diseño tradicional de colisionadores para estudiar más a fondo la física de partículas más allá del bosón de Higgs. una partícula fundamental descubierta hace solo cinco años.

La FCC propuesta tiene que ser una máquina de alta luminosidad:sus haces de partículas deberán ser compactos y densamente empaquetados. En comparación con el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, los haces también tendrán un aumento espectacular de energía:50 billones de electronvoltios, en comparación con la energía del haz del LHC de 7 billones de electronvoltios. Eso implica un aumento igualmente dramático en el tamaño del acelerador. Con una circunferencia prevista de 100 kilómetros, la FCC empequeñecería al LHC de 27 kilómetros.

Estos de alta energía, Todos los supercolisionadores de alta luminosidad experimentan un problema, Independientemente del tamaño:un haz intenso de protones empaquetados en el ancho del cabello humano que viaja a una gran distancia puede volverse inestable, especialmente si todos los protones viajan exactamente de la misma manera.

En un colisionador las partículas llegan en paquetes llamados racimos, corrientes de aproximadamente un pie de largo llenas de cientos de miles de millones de partículas. Un haz de partículas está formado por docenas, cientos o miles de estos racimos.

Imagina un colisionador circular como una pista de carreras estrecha, con protones en un grupo como un paquete apretado de autos de carrera. Un trozo de escombros aparece de repente en medio de la pista, interrumpir el flujo de tráfico. Si todos los autos reaccionan de la misma manera, decir, girando bruscamente a la izquierda, podría dar lugar a un gran caos.

Dentro del colisionador no se trata de evitar un solo bache en la pista, pero ajustándose a numerosos obstáculos dinámicos, provocando que los protones cambien su curso muchas veces. Si una anomalía, como una torcedura en el campo magnético del colisionador, ocurre inesperadamente, y si todos los protones del haz reaccionan de la misma manera al mismo tiempo, incluso un ligero cambio de rumbo podría volverse loco rápidamente.

Se podría evitar el problema reduciendo el haz de partículas desde el principio. Mediante el uso de haces de protones de menor densidad, proporciona menos oportunidades para que los protones se desvíen de su curso. Pero eso significaría eliminar protones y perder el potencial de descubrimiento científico.

Otro, Una mejor forma de abordar el problema es introducir diferencias en el haz para que no todos los protones de los racimos se comporten de la misma forma.

Para regresar a la pista de carreras:si todos los conductores reaccionan al trozo de escombros de diferentes maneras, algunos se mueven ligeramente hacia la derecha, otros ligeramente a la izquierda, un piloto valiente simplemente se salta la parte superior:los autos pueden volver a fusionarse y continuar la carrera, sin accidentes.

Crear diferenciaciones dentro de un grupo de protones haría esencialmente lo mismo. Cada protón sigue lo suyo, curso siempre tan ligeramente diferente alrededor del colisionador. De esta manera, cualquier desviación del curso es aislada, en lugar de agravarse por los protones que se comportan mal en concierto, minimizando las oscilaciones dañinas del haz.

"Las partículas en el centro del grupo se moverán de manera diferente a las partículas en el exterior, ", Dijo Shiltsev." Los protones estarán un poco desordenados, pero eso es lo que queremos. Si todos se mueven juntos se vuelven inestables ".

Estas diferencias generalmente se crean con un tipo especial de imán llamado octopolos. El Tevatron, antes de su clausura en 2011, tenía 35 imanes de octupostes, y el LHC ahora tiene 336.

Pero a medida que los colisionadores se hacen más grandes y alcanzan mayores energías, necesitan un número exponencialmente mayor de imanes:la FCC requerirá más de 10, 000 imanes de octupole, cada uno de un metro de largo, para lograr los mismos resultados de estabilización del haz que los colisionadores anteriores.

Esa cantidad de imanes ocupan mucho espacio:hasta 10 de los 100 kilómetros de la FCC.

"Eso parece ridículo, ", Dijo Shiltsev." Estamos buscando una manera de evitar eso ".

La comunidad científica reconoce que la lente no lineal de amortiguación Landau es una posible solución a este problema:una sola lente electrónica de un metro de largo podría reemplazar las 10, 000 imanes octupolares y posiblemente hagan un mejor trabajo manteniendo los haces estables a medida que avanzan hacia la colisión, sin introducir nuevos problemas.

"En el CERN han adoptado la idea de este nuevo tipo de lente de electrones, y la gente los estudiará con más detalle para la FCC, ", Dijo Valishev." Dado lo que sabemos hasta ahora sobre los problemas que enfrentarán los futuros colisionadores, este sería un dispositivo de una criticidad extremadamente alta. Por eso estamos emocionados ".

Legos de electrones

La lente de amortiguación Landau se unirá a otros dos tipos de lentes de electrones en el repertorio de herramientas que los físicos tienen para modificar o controlar los haces dentro de un colisionador.

"Después de muchos años de uso, la gente está muy contenta con las lentes de electrones:es uno de los instrumentos que se utilizan en los aceleradores modernos, como imanes o cavidades superconductoras, ", Dijo Shiltsev." Las lentes de electrones son solo uno de los bloques de construcción o piezas de Lego ".

Las lentes de electrones se parecen mucho a los Legos:las piezas de Lego están hechas del mismo material y pueden ser del mismo color, pero una forma diferente determina cómo se pueden usar. Las lentes de electrones están todas hechas de nubes de electrones, formado por campos magnéticos. La forma de la lente dicta cómo la lente influye en un haz de protones.

Los científicos desarrollaron la primera lente de electrones en Fermilab en 1997 para su uso para compensar los llamados efectos de haz de haz en el Tevatron, y todavía se utiliza un tipo similar de lente de electrones en el RHIC de Brookhaven.

En colisionadores circulares, los haces de partículas pasan unos junto a otros, yendo en direcciones opuestas dentro del colisionador hasta que se dirijan hacia una colisión en puntos específicos. Mientras las vigas zumban unas a otras, ejercen una pequeña fuerza el uno sobre el otro, lo que hace que los racimos de protones se expandan ligeramente, disminuyendo su luminosidad.

Esa primera lente de electrones llamada lente de compensación de haz-haz, fue creado para combatir la interacción entre las vigas exprimiéndolas de nuevo a su original, estado compacto.

Después del éxito de este tipo de lente de electrones en el Tevatron, Los científicos se dieron cuenta de que los haces de electrones podían tener una segunda forma de crear otro tipo de lente de electrones.

Los científicos diseñaron la segunda lente para que tuviera la forma de una pajita, permitiendo que el haz de protones pase a través del interior sin ser afectado. El protón ocasional podría intentar abandonar su grupo y desviarse del centro del haz. En el LHC, perder incluso una milésima parte del número total de protones de forma descontrolada podría ser peligroso. La lente de electrones actúa como raspador, eliminar estas partículas rebeldes antes de que puedan dañar el colisionador.

"Es extremadamente importante tener la capacidad de raspar estas partículas porque su energía es enorme, ", Dijo Shiltsev." Sin control, pueden perforar agujeros, romper imanes o producir radiación ".

Ambos tipos de lentes de electrones han dejado su huella en el diseño de colisionadores como parte del éxito del Tevatron, RHIC y el LHC. La nueva lente de amortiguación Landau puede ayudar a marcar el comienzo de la próxima generación de colisionadores.

"La lente de electrones es un ejemplo de algo que se inventó aquí en Fermilab hace 20 años, ", Dijo Shiltsev." Esta es una de las tecnologías raras que no se llevó a la perfección en Fermilab:se inventó, desarrollado y perfeccionado y aún sigue brillando ".