Los físicos del acelerador han demostrado una técnica innovadora que utiliza racimos de electrones para mantener fríos los haces de partículas en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Para la investigación de la física nuclear en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Esta técnica de enfriamiento de electrones de "haz agrupado" permitirá tasas de colisión de partículas más altas en RHIC, donde los científicos estudian los escombros de la colisión para aprender sobre los componentes básicos de la materia tal como existían justo después del Big Bang.

El equipo del acelerador de Brookhaven está probando el método a las energías más bajas del colisionador, un régimen en el que los datos han sido escasos pero que son cruciales para comprender cómo las partículas que llenaron el universo primitivo se transformaron en la materia ordinaria que constituye nuestro mundo actual.

"Las condiciones de baja energía son en realidad las más desafiantes para esta técnica, "dijo Alexei Fedotov, el físico acelerador de Brookhaven Lab que dirigió el esfuerzo y el equipo de casi 100 personas que lo hicieron posible.

"Ahora que hemos demostrado el enfriamiento de haz agrupado en la situación energética más desafiante, abre la posibilidad de aplicar estos mismos principios a energías más altas, incluso en un posible futuro Colisionador de iones de electrones, " él dijo.

Conquistando desafíos

El logro se basa en una idea inventada hace poco más de 50 años por el físico ruso Gersh Budker, a saber, utilizando un haz de electrones (que son inherentemente más fríos que las partículas más grandes que se mueven a la misma velocidad) para extraer calor de un haz de partículas más grandes. Esto mantiene las partículas compactas y es más probable que choquen. Pero la versión de Brookhaven incluye una serie de logros e innovaciones por primera vez en el mundo que incluso los expertos en el campo dudaban que pudieran tener éxito tan rápido.

"Hubo muchos desafíos de física e ingeniería que superar, "Señaló Fedotov.

El equipo tuvo que construir y poner en marcha un nuevo acelerador de electrones de última generación que encajaría dentro del túnel RHIC, que incluía el uso de una tecnología de aceleración de radiofrecuencia (RF) más compacta en lugar del método estándar de corriente continua (CC) utilizado en todas las configuraciones anteriores de enfriamiento de electrones. Y debido a que los iones de RHIC circulan como racimos periódicos de partículas, no una corriente continua, los electrones tenían que producirse en pulsos que coincidieran con esos racimos, no solo en el tiempo, sino también en la energía y la trayectoria, mientras mantenían su frialdad intrínseca. Más, porque RHIC es en realidad dos aceleradores, con haces de iones que se mueven en direcciones opuestas en dos rayos, ¡los físicos tuvieron que descubrir cómo enfriar ambos haces con la misma corriente de electrones!

"De lo contrario, habríamos tenido que construir dos de estos aceleradores de electrones, ", Dijo Fedotov.

"En realidad, es una gran instalación compuesta por muchos componentes complejos, incluyendo 100 metros de línea de luz donde los electrones acelerados se propagan con los iones en un haz RHIC para extraer su calor, luego haga un giro de 180 grados para enfriar los iones del otro haz RHIC que se mueve en la dirección opuesta. ¡Eso nunca se ha hecho antes! "

Generando electrones

Para generar y acelerar rápidamente estos grupos de electrones de precisión, el equipo utilizó un cañón de electrones fotocátodo activado por láser seguido de una cavidad de RF acelerada. La pistola utiliza un láser de alta frecuencia de alta potencia y fotocátodos diseñados por Brookhaven que se transportan 12 a la vez en una cámara de vacío desde la División de Instrumentación de Brookhaven hasta el túnel RHIC. Una vez en RHIC, la cámara de vacío puede girar como una noria para cambiar los fotocátodos a medida que se desgastan mientras RHIC está funcionando, permitiendo que la pistola funcione a alta corriente para un funcionamiento a largo plazo cuando el acceso a RHIC es limitado.

"Cuando hablamos por primera vez sobre este diseño, en 2015, "¡Esto era sólo un dibujo!", dijo Fedotov. "Ahora lo estamos usando de forma rutinaria".

El láser verde que activa los fotocátodos para emitir pulsos de electrones es también el primero de su tipo:el láser verde de mayor potencia promedio jamás generado por un solo láser de fibra. La alineación y el recorte de precisión de los pulsos láser controlan la frecuencia de los grupos de electrones generados para el enfriamiento.

La pistola láser y fotocátodo produjo los primeros pulsos de electrones en mayo de 2017. Luego, después de la puesta en servicio de los primeros siete metros de línea de luz (el inyector del acelerador) a finales de 2017, el equipo instaló 100 metros de línea de luz, incluyendo cinco cavidades de RF y secciones de enfriamiento rectas cubiertas por varias capas de blindaje magnético, en enero de 2018. Luego pasaron el año pasado encargando el acelerador de electrones completo.

Manteniéndolo fresco

"El principal desafío fue entregar un haz con todas las propiedades necesarias para el enfriamiento, es decir, velocidades relativas pequeñas en todas las direcciones, con energías coincidentes y ángulos pequeños, y luego propagar este haz de electrones de muy baja energía a lo largo de 100 metros de línea de transporte del haz mientras se mantienen esas propiedades, "dijo Dmitry Kayran, el físico del acelerador que dirigió el esfuerzo de puesta en marcha.

Kayran describió el trabajo en simulaciones que se utilizaron para optimizar los parámetros del haz, que guió la instalación de instrumentos de monitoreo de haz, lo que a su vez determinó la ubicación de las cavidades de aceleración de RF.

"Debido a la aceleración, la calidad del haz puede deteriorarse, por lo que necesita este control y ajustes cuidadosos para mantener la distribución de energía lo más baja posible, "Dijo Kayran.

"El diseño de las secciones de enfriamiento para enfriamiento de electrones RHIC de bajo consumo (LEReC) es único, "dijo el físico del acelerador Sergei Seletskiy, quién dirigió esa parte del esfuerzo. "Preservar la calidad del haz en estas secciones de enfriamiento de ambos anillos RHIC es un desafío, y nuevamente algo que se ha demostrado por primera vez con este proyecto.

"Muchas características y desafíos únicos de nuestro proyecto están relacionados con el hecho de que, por primera vez en 50 años, estamos aplicando enfriamiento de electrones directamente a la energía de colisión de iones, ", señaló." Ver todo esto uniéndose y trabajando para enfriar iones con haces de electrones agrupados y en dos anillos colisionadores a la vez es asombroso. ¡Este es un gran logro en la física de aceleradores! "

El siguiente paso será mostrar que el enfriamiento mejora las tasas de colisión en las colisiones RHIC de baja energía del próximo año, y luego extraer los datos y lo que revelan sobre los componentes básicos de la materia.

Con una técnica de enfriamiento de electrones de haz agrupado ahora demostrada experimentalmente en Brookhaven Lab, su aplicación al enfriamiento de alta energía puede abrir nuevas posibilidades al producir haces de hadrones de alta calidad que se requieren para varios proyectos futuros de física de aceleradores, incluido el Colisionador de iones de electrones (EIC) propuesto.

LEReC fue financiado por la Oficina de Ciencias del DOE y se benefició de la ayuda y la experiencia de muchos en el Departamento y la División de Instrumentación de Collider-Accelerator de Brookhaven Lab, así como contribuciones del Fermi National Accelerator Laboratory, Laboratorio Nacional Argonne, Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson, y la Universidad de Cornell.