Wiązki cząstek składają się z miliardów cząstek podróżujących razem. Skondensowanie cząstek w każdej wiązce tak, by były one upakowane blisko siebie, zwiększa prawdopodobieństwo, że cząstki w zderzających się wiązkach będą na siebie oddziaływać – podobnie, jak wiele osób próbujących przejść przez drzwi w tym samym czasie jest bardziej narażonych na zderzenie ze sobą, niż gdy przechodzą po kolei.
Czytaj też: Wielki Zderzacz Hadronów gotowy na kolejne odkrycia. Rusza trzeci cykl pracy akceleratora CERN
Naukowcy z Fermilabu wykorzystali najnowszy instrument – Integrable Optics Test Accelerator (IOTA) – do zademonstrowania i zbadania nowego rodzaju technologii chłodzenia wiązki z potencjałem do radykalnego przyspieszenia tego procesu chłodzenia.
IOTA została zbudowana jako elastyczna maszyna do badań i rozwoju w dziedzinie nauki i technologii akceleratorów. Ta elastyczność pozwala nam szybko przekonfigurować pierścień pamięci masowej, aby skupić się na różnych możliwościach o dużym znaczeniu. Właśnie to zrobiliśmy z tą nową techniką chłodzenia.Jonathan Jarvis z Fermilab
Nowy rodzaj chłodzenia
Nowa technika nosi nazwę optycznego chłodzenia stochastycznego. Po raz pierwszy zaproponowano ją na początku lat 90. ubiegłego wieku i choć poczyniono znaczne postępy teoretyczne, eksperymentalna demonstracja tej techniki pozostawała nieuchwytna aż do teraz.
Ten rodzaj chłodzenia mierzy, jak cząstki w wiązce oddalają się od swojego idealnego kursu, a następnie wykorzystuje specjalną konfigurację magnesów, soczewek i innych układów optycznych, aby nadać im dodatkowego “kopa”. Działa to z powodu szczególnej cechy cząstek naładowanych, takich jak elektrony i protony – gdy poruszają się one po zakrzywionej ścieżce, wypromieniowują energię w postaci impulsów świetlnych, dając informacje o położeniu i prędkości każdej cząstki w wiązce. System chłodzenia wiązki może zebrać te informacje i użyć specjalnego magnesu, aby ustawić je z powrotem w szeregu.
Konwencjonalne chłodzenie stochastyczne działa przy użyciu światła w zakresie mikrofalowym o długości fali kilku centymetrów. W przeciwieństwie do tego, optyczne chłodzenie stochastyczne wykorzystuje światło widzialne i podczerwone, których długość fali wynosi około milionowej części metra. Krótsza długość fali oznacza, że naukowcy mogą precyzyjniej wyczuć aktywność cząstek i dokonać dokładniejszych korekt.
Pierwsza demonstracja w IOTA wykorzystała wiązkę elektronów o średniej energii i konfigurację zwaną “chłodzeniem pasywnym”, która nie wzmacnia impulsów świetlnych pochodzących od cząstek. Naukowcy zaobserwowali efekt i osiągnęli ok. dziesięciokrotny wzrost szybkości chłodzenia w porównaniu z naturalnym “tłumieniem promieniowania”. Byli również w stanie kontrolować, czy wiązka chłodzi się w jednym, dwóch czy wszystkich trzech wymiarach. Wreszcie, oprócz chłodzenia wiązek zawierających miliony cząstek, naukowcy przeprowadzili również eksperymenty badające chłodzenie pojedynczego elektronu przechowywanego w akceleratorze.
To ekscytujące, ponieważ jest to pierwsza technika chłodzenia zademonstrowana w reżimie optycznym, a ten eksperyment pozwolił nam zbadać najbardziej istotną fizykę procesu chłodzenia. Już wiele się nauczyliśmy, a teraz możemy dodać kolejną warstwę do eksperymentu, która znacznie przybliża nas do rzeczywistych zastosowań.Jonathan Jarvis