Antes de que los investigadores puedan aplastar haces de partículas para estudiar las interacciones de partículas de alta energía, necesitan crear esos haces en aceleradores de partículas. Y cuanto más apretadas estén las partículas en los haces, mayores posibilidades de que los científicos detecten fenómenos físicos raros.

Hacer un haz de partículas más denso o más brillante es como meter un globo inflado en el congelador. Así como la reducción del movimiento aleatorio de las moléculas de gas dentro del globo hace que el globo se encoja, la reducción del movimiento aleatorio de las partículas en un haz hace que el haz sea más denso. Pero los físicos no tienen congeladores para las partículas que se mueven cerca de la velocidad de la luz, por lo que idean otras formas ingeniosas de enfriar el rayo.

Un experimento en curso en el acelerador de pruebas de óptica integrable de Fermilab busca ser el primero en demostrar el enfriamiento estocástico óptico, una nueva tecnología de enfriamiento de haz que tiene el potencial de acelerar drásticamente el proceso de enfriamiento. Si tiene éxito, la técnica permitiría que los experimentos futuros generen haces más brillantes de partículas cargadas y estudien la física que antes era inaccesible.

"Existe este rango de energías, alrededor de 10 a 1, 000 GeV:donde actualmente no existe tecnología para enfriar protones, y ahí es donde se podría aplicar el enfriamiento estocástico óptico en este momento, "dijo el científico del Fermilab Alexander Valishev, el líder del equipo que diseñó y construyó IOTA. "Pero si lo desarrollamos, entonces estoy seguro de que habrá otras aplicaciones ".

En Enero, El experimento OSC de IOTA comenzó a tomar datos. IOTA cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.

OSC opera con el mismo principio que el enfriamiento estocástico convencional, una tecnología desarrollada por Simon van der Meer y utilizada por Carlo Rubbia para el descubrimiento de 1983 de los bosones W y Z. Van der Meer y Rubbia ganaron el Premio Nobel de Física de 1984 por su trabajo, que desde entonces ha encontrado uso en muchos aceleradores de partículas.

El enfriamiento estocástico proporciona una forma de medir cómo las partículas en un rayo se alejan de la trayectoria deseada y aplicar correcciones para acercarlas, haciendo así el haz más denso. La técnica depende de la interacción entre las partículas cargadas y la radiación electromagnética que emiten.

A medida que las partículas cargadas, como electrones o protones, se mueven en una trayectoria curva, irradian energía en forma de luz, que detecta una pastilla en el acelerador. Cada señal de luz contiene información sobre la posición y la velocidad promedio de un "grupo" de millones o miles de millones de partículas.

Luego, un dispositivo de electroimán llamado pateador aplica esta misma señal nuevamente al grupo para corregir cualquier movimiento perdido, como un jugador de fútbol que patea una pelota para mantenerla dentro de los límites. Cada patada acerca la posición y la velocidad promedio de las partículas al valor deseado, pero las partículas individuales aún pueden alejarse. Para corregir el movimiento de partículas individuales y crear un haz denso, el proceso debe repetirse miles de veces mientras el rayo circula en el acelerador.

El enfriamiento estocástico tradicional utiliza señales electromagnéticas en el rango de microondas, con longitudes de onda de centímetros. OSC utiliza luz visible e infrarroja, con longitudes de onda alrededor de una micra, una millonésima de metro.

"La escala se establece por la longitud de onda, ", Dijo Valishev." Las longitudes de onda más cortas significan que podemos leer la información del haz con mayor resolución y mejores correcciones precisas ".

La resolución más alta permite que OSC proporcione patadas más precisas a grupos más pequeños de partículas. Los grupos más pequeños de partículas requieren menos patadas para enfriarse, al igual que un globo diminuto se enfría más rápido que uno grande cuando se coloca en el congelador. Cada partícula recibe una patada una vez por vuelta alrededor del acelerador. Como se requieren menos patadas, todo el haz se enfría después de menos vueltas.

En principio, OSC podría acelerar el enfriamiento del haz en un factor de 10, 000 en comparación con el enfriamiento estocástico convencional. El primer experimento de demostración en IOTA, que utiliza un haz de electrones de energía media, tiene un objetivo más modesto. A medida que el rayo circula en el acelerador e irradia luz, pierde energía, enfriar por sí solo en aproximadamente 1 segundo; IOTA busca una disminución de diez veces en ese tiempo de enfriamiento.

Las propuestas para OSC despertaron el interés de la comunidad de aceleradores ya en la década de 1990, pero hasta ahora, una implementación exitosa ha eludido a los investigadores. Aprovechar longitudes de onda de luz más cortas plantea una serie de desafíos técnicos.

"Las posiciones relativas de todos los elementos relevantes deben controlarse al nivel de un cuarto de longitud de onda o mejor, "Valishev dijo." Además de eso, tienes que leer el paquete de ondas del haz, y luego tienes que transportarlo, amplificarlo, y luego aplíquelo nuevamente en la misma viga. De nuevo, todo debe hacerse con esta extrema precisión ".

IOTA demostró ser el acelerador perfecto para el trabajo. La pieza central de la instalación de ciencia y tecnología Fermilab Accelerator, IOTA tiene un diseño flexible que permite a los investigadores adaptar los componentes en la línea de luz a medida que avanzan las fronteras de la ciencia de los aceleradores.

El experimento OSC de IOTA está comenzando con electrones porque estas partículas livianas pueden acelerarse fácil y económicamente a las velocidades a las que irradian luz visible e infrarroja. En el futuro, Los científicos esperan aplicar la técnica a los protones. Debido a su mayor masa, los protones deben alcanzar energías más altas para irradiar la luz deseada, haciéndolos más difíciles de manejar.

En primer lugar, IOTA estudiará el enfriamiento pasivo, en el que la luz emitida por el haz de electrones no se amplificará antes de volver a brillar sobre el haz. Después de que ese enfoque simplificado tenga éxito, el equipo agregará amplificadores ópticos para fortalecer la luz que proporciona las patadas correctivas.

Además de proporcionar una nueva tecnología de enfriamiento para colisionadores de partículas de alta energía, OSC podría mejorar el estudio de la electrodinámica fundamental y las interacciones entre electrones y fotones.

"El enfriamiento estocástico óptico es una combinación de varias áreas de la física experimental moderna, desde aceleradores y haces hasta ópticas de luz, todos fusionados en un paquete, Valishev dijo. "Eso hace que sea muy desafiante y también muy estimulante para trabajar".