Cada una de las partículas del haz emite pulsos de luz ultrarrápidos a medida que pasan a través de un imán especial llamado ondulador de captación (extremo inferior derecho). La información sobre la energía de cada partícula o el error de trayectoria está codificada en su pulso de luz. Los pulsos de luz son capturados, enfocados y sintonizados por varias ópticas de luz. Luego, las partículas interactúan con sus propios pulsos dentro de un ondulador impulsor idéntico (centro). La interacción se puede utilizar para enfriar las partículas o incluso controlarlas, según la configuración del sistema. Crédito:Jonathan Jarvis, Fermilab
A los físicos les encanta romper partículas y estudiar el caos resultante. Ahí radica el descubrimiento de nuevas partículas y una extraña física, generadas por diminutas fracciones de segundo y que recrean condiciones que a menudo no se han visto en nuestro universo durante miles de millones de años. Pero para que ocurra la magia, primero deben chocar dos haces de partículas.
Investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. han anunciado la primera demostración exitosa de una nueva técnica que mejora los haces de partículas. Esta demostración podría usarse en futuros aceleradores de partículas para usar potencialmente el método para crear haces de partículas mejores y más densos, aumentando la cantidad de colisiones y brindando a los investigadores una mejor oportunidad de explorar fenómenos físicos raros que nos ayuden a comprender nuestro universo. El equipo publicó sus hallazgos en una edición reciente de Nature .
Los haces de partículas están formados por miles de millones de partículas que viajan juntas en grupos llamados racimos. La condensación de las partículas en cada haz para que estén muy juntas hace que sea más probable que las partículas en grupos que chocan interactúen, de la misma manera que varias personas que intentan atravesar una puerta al mismo tiempo tienen más probabilidades de empujarse entre sí que cuando caminan. una habitación abierta de par en par.
Empaquetar partículas juntas en un haz requiere algo similar a lo que sucede cuando pones un globo inflado en un congelador. Enfriar el gas en el globo reduce el movimiento aleatorio de las moléculas y hace que el globo se encoja. "Enfriar" un haz reduce el movimiento aleatorio de las partículas y hace que el haz sea más estrecho y denso.
En Fermilab, los científicos utilizaron el anillo de almacenamiento más nuevo del laboratorio, el Acelerador de prueba de óptica integrable, conocido como IOTA, para demostrar y explorar un nuevo tipo de tecnología de enfriamiento de haz con el potencial de acelerar drásticamente ese proceso de enfriamiento.
"IOTA se construyó como una máquina flexible para la investigación y el desarrollo en ciencia y tecnología de aceleradores", dijo Jonathan Jarvis, científico de Fermilab. "Esa flexibilidad nos permite reconfigurar rápidamente el anillo de almacenamiento para enfocarnos en diferentes oportunidades de alto impacto. Eso es exactamente lo que hemos hecho con esta nueva técnica de enfriamiento".
El aparato de enfriamiento estocástico óptico ocupa toda la longitud de 6 metros de la larga recta experimental de IOTA. Diseñado y construido por el equipo de IOTA/FAST y socios de la industria, el sistema se utilizó recientemente para lograr la primera demostración mundial de OSC. Crédito:Jonathan Jarvis, Fermilab
La nueva técnica se llama enfriamiento estocástico óptico y este sistema de enfriamiento mide cómo las partículas en un haz se alejan de su curso ideal usando una configuración especial de imanes, lentes y otras ópticas para dar empujones correctivos.
Este tipo de sistema de enfriamiento mide cómo las partículas en un haz se alejan de su curso ideal y luego usa una configuración especial de imanes, lentes y otras ópticas para dar empujones correctivos. Funciona debido a una característica particular de las partículas cargadas como los electrones y los protones:a medida que las partículas se mueven a lo largo de una trayectoria curva, irradian energía en forma de pulsos de luz, brindando información sobre la posición y la velocidad de cada partícula en el grupo. El sistema de enfriamiento del haz puede recopilar esta información y usar un dispositivo llamado imán impulsor para volver a colocarlos en línea.
El enfriamiento estocástico convencional, que le valió a su inventor, Simon van der Meer, una parte del Premio Nobel de 1984, funciona utilizando luz en el rango de microondas con longitudes de onda de varios centímetros. En contraste, el enfriamiento estocástico óptico utiliza luz visible e infrarroja, que tienen longitudes de onda alrededor de una millonésima de metro. La longitud de onda más corta significa que los científicos pueden detectar la actividad de las partículas con mayor precisión y hacer correcciones más precisas.
Para preparar un haz de partículas para los experimentos, los operadores del acelerador lo envían en varias pasadas a través del sistema de enfriamiento. La resolución mejorada del enfriamiento estocástico óptico proporciona patadas más exactas a grupos más pequeños de partículas, por lo que se necesitan menos vueltas alrededor del anillo de almacenamiento. Con el haz enfriado más rápidamente, los investigadores pueden pasar más tiempo usando esas partículas para producir datos experimentales.
El enfriamiento también ayuda a preservar los rayos al controlar continuamente las partículas a medida que rebotan entre sí. En principio, el enfriamiento estocástico óptico podría aumentar la tasa de enfriamiento de última generación hasta en un factor de 10 000.
Esta primera demostración en IOTA usó un haz de electrones de energía media y una configuración llamada "enfriamiento pasivo", que no amplifica los pulsos de luz de las partículas. El equipo observó con éxito el efecto y logró un aumento de aproximadamente diez veces en la velocidad de enfriamiento en comparación con la "amortiguación de radiación" natural que experimenta el haz en IOTA. También pudieron controlar si el haz se enfría en una, dos o las tres dimensiones. Finalmente, además de enfriar haces con millones de partículas, los científicos también realizaron experimentos para estudiar el enfriamiento de un solo electrón almacenado en el acelerador.
"Es emocionante porque esta es la primera técnica de enfriamiento demostrada en el régimen óptico, y este experimento nos permitió estudiar al máximo la física esencial del proceso de enfriamiento", dijo Jarvis. "Ya hemos aprendido mucho y ahora podemos agregar otra capa al experimento que nos acerca mucho más a las aplicaciones reales".
A view looking downstream through the beam pipe of the IOTA ring. The optical stochastic cooling experiment occupies one of the straight sections of the IOTA ring and cools the stored beam, similar to the way radio-frequency stochastic cooling cooled antiprotons in the Recycler during the Tevatron era. Credit:Jamie Santucci, Fermilab
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." Next-generation particle beam cooling experiment under way at Fermilab accelerator
