Att skicka massor av protoner som rusar runt en cirkulär partikelkolliderare för att mötas vid en specifik punkt är ingen lätt grej. Många olika kolliderkomponenter fungerar för att hålla protonstrålarna på gång - och för att de inte ska bli ostyriga.

Forskare på Fermilab uppfann och utvecklade en ny kolliderarkomponent för 20 år sedan:elektronlinsen. Elektronlinser är elektronstrålar formade i specifika former som förändrar rörelsen hos andra partiklar - vanligtvis protoner - som passerar genom dem.

Den nu pensionerade Tevatron, en cirkulär kolliderare vid Fermilab, och Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) vid Brookhaven National Laboratory har båda gynnats av elektronlinser, ett koncept som ursprungligen utvecklades på Fermilab.

"Elektronlinser är som en schweizisk armékniv för acceleratorer:De är relativt enkla och billiga, men de kan appliceras på många olika sätt, sa Alexander Valishev, en Fermilab-forskare som var medförfattare till en ny studie för en ny elektronlinsapplikation, vilket kan vara avgörande för kommande kolliderare.

Innovationen beskrivs i en artikel som publicerades den 27 september Fysiska granskningsbrev .

"Detta lilla genombrott i balken och acceleratorernas fysik är en början på en större uppfinning - det är en ny sak, "sa Fermilabs Vladimir Shiltsev, författare till den publicerade uppsatsen. Shiltsev spelade också en stor roll i ursprunget till elektronlinser 1997. "Fermilab är känt för uppfinningar och utvecklingar som är, först, spännande, och då, funktionell. Det är vad nationella laboratorier är byggda för, och det är vad vi har uppnått. "

En lins in i framtiden

Denna nya typ av elektronlins, kallas Landau dämpningslins, kommer att vara en kritisk del av en enorm, prospektivt projekt inom partikelfysikforskning:Future Circular Collider vid CERN. FCC skulle skjuta gränserna för traditionell collider -design för att ytterligare studera partikelfysiken bortom Higgs -bosonen, en grundläggande partikel som upptäcktes för bara fem år sedan.

Den föreslagna FCC måste vara en maskin med hög ljusstyrka:Partikelstrålarna måste vara kompakta och tätt packade. Jämfört med CERNs Large Hadron Collider, strålarna kommer också att få en dramatisk ökning av energi - 50 biljoner elektronvolt, jämfört med LHC:s strålenergi på 7 biljoner elektronvolt. Det innebär en lika dramatisk ökning av acceleratorns storlek. Med en planerad omkrets på 100 kilometer, FCC skulle dvärga den 27 kilometer långa LHC.

Dessa hög energi, supercolliders med hög ljusstyrka upplever alla ett problem, oavsett storlek:En intensiv stråle av protoner packade i bredden på människohår som reser över en lång sträcka kan bli instabil, speciellt om alla protoner reser på exakt samma sätt.

I en kolliderare, partiklar anländer i paket som kallas klasar-ungefär fotlånga strömmar fyllda med hundratals miljarder partiklar. En partikelstråle bildas av dussintals, hundratals eller tusentals av dessa gäng.

Föreställ dig en cirkulär kollider som en smal racerbana, med protoner i ett gäng som ett tätt paket med racerbilar. Ett skräp dyker plötsligt upp i mitten av banan, stör trafikflödet. Om varje bil reagerar på samma sätt, säga, genom att svänga kraftigt åt vänster, det kan leda till en stor hopning.

Inuti kollideraren, det är inte en fråga om att undvika bara en bula på banan, men anpassar sig till många dynamiska hinder, får protonerna att ändra sin kurs många gånger. Om en avvikelse, såsom en knäck i kolliderns magnetfält, inträffar oväntat, och om protonerna i strålen alla reagerar på den på samma sätt samtidigt, även en liten kursändring kan snabbt gå på tok.

Man kan undvika problemet genom att gallra partikelstrålen från start. Genom att använda protonstrålar med lägre densitet, du ger mindre möjligheter för protoner att gå ur kurs. Men det skulle innebära att man tar bort protoner och så missar potentialen för vetenskaplig upptäckt.

Annan, bättre sätt att ta itu med problemet är att införa skillnader i strålen så att inte alla protoner i grupperna beter sig på samma sätt.

För att återvända till racerbanan:Om förarna alla reagerar på skräpet på olika sätt - några rör sig något åt ​​höger, andra något till vänster, en modig förare hoppar bara över toppen - bilarna kan alla smälta ihop igen och fortsätta loppet, inga olyckor.

Att skapa differentieringar inom ett protongäng skulle göra i stort sett samma sak. Varje proton följer sin egen, någonsin så lite annorlunda kurs runt kollideraren. Den här vägen, varje avvikelse från kursen är isolerad, i stället för att förvärras av protoner som alla uppför sig illa i konsert, minimera skadliga strålesvängningar.

"Partiklar i mitten av gänget kommer att röra sig annorlunda än partiklar runt utsidan, "Sa Shiltsev." Protonerna kommer alla att bli trassliga, men det är vad vi vill. Om de alla rör sig tillsammans, de blir instabila. "

Dessa skillnader skapas vanligtvis med en speciell typ av magnet som kallas oktupoler. Tevatronen, före avvecklingen 2011, hade 35 octupole magneter, och LHC har nu 336.

Men när kolliderare blir större och uppnår större energier, de behöver exponentiellt högre antal magneter:FCC kommer att kräva mer än 10, 000 octupole magneter, var och en meter lång, för att uppnå samma strålstabiliserande resultat som tidigare kolliderare.

Att många magneter tar mycket plats:så mycket som 10 av FCC:s 100 kilometer.

"Det verkar löjligt, "Sa Shiltsev." Vi letar efter ett sätt att undvika det. "

Det vetenskapliga samfundet erkänner Landau dämpande olinjära lins som en trolig lösning på detta problem:En enda meter lång elektronlins kan ersätta alla 10, 000 oktupolsmagneter och möjligen göra ett bättre jobb för att hålla strålarna stabila när de snabbar mot kollision, utan att införa några nya problem.

"På CERN har de anammat idén om denna nya elektronlins typ, och människor där kommer att studera dem mer detaljerat för FCC, "Sa Valishev." Med tanke på vad vi hittills vet om de frågor som de framtida kolliderarna kommer att möta, detta skulle vara en enhet med extremt hög kritik. Det är därför vi är glada. "

Elektron Legos

Landau dämpningslinsen kommer att ansluta till två andra elektronlinstyper i repertoaren av verktyg som fysiker har att modifiera eller styra strålar inuti en kolliderare.

"Efter många års användning, människor är mycket nöjda med elektronlinser:Det är ett av instrumenten som används för moderna acceleratorer, som magneter eller supraledande håligheter, "Sade Shiltsev." Elektronlinser är bara en av byggstenarna eller legobitarna. "

Elektronlinser liknar mycket Legos:Legobitar är gjorda av samma material och kan ha samma färg, men en annan form avgör hur de kan användas. Elektronlinser är alla gjorda av moln av elektroner, formas av magnetfält. Linsens form dikterar hur linsen påverkar en stråle av protoner.

Forskare utvecklade den första elektronlinsen på Fermilab 1997 för användning för att kompensera för så kallade stråleeffekter i Tevatron, och en liknande typ av elektronlins används fortfarande vid Brookhavens RHIC.

I cirkulära kolliderare, partikelstrålar passerar varandra, gå i motsatta riktningar inuti kollideraren tills de styrs in i en kollision vid specifika punkter. När strålarna surrar av varandra, de utövar en liten kraft på varandra, vilket gör att protonkrossarna expanderar något, minskar deras ljusstyrka.

Den första elektronlinsen, kallade strålstrålskompensationslinsen, skapades för att bekämpa interaktionen mellan strålarna genom att klämma tillbaka dem till deras original, kompakt tillstånd.

Efter framgången med denna elektronlins typ i Tevatron, forskare insåg att elektronstrålar kunde formas ett andra sätt att skapa en annan typ av elektronlins.

Forskare utformade den andra linsen för att vara formad som ett sugrör, låter protonstrålen passera genom insidan opåverkad. En och annan proton kan försöka lämna sin grupp och avvika från mitten av strålen. I LHC, att förlora till och med en tusendel av det totala antalet protoner på ett okontrollerat sätt kan vara farligt. Elektronlinsen fungerar som en skrapa, ta bort dessa oseriösa partiklar innan de kan skada kollideraren.

"Det är oerhört viktigt att ha förmågan att skrapa dessa partiklar eftersom deras energi är enorm, "Sade Shiltsev." Okontrollerad, de kan borra hål, bryta magneter eller producera strålning. "

Båda typerna av elektronlinser har satt sin prägel i collider -design som en del av Tevatrons framgång, RHIC och LHC. Den nya Landau dämpningslinsen kan hjälpa till att inleda nästa generations kolliderare.

"Elektronlinsen är ett exempel på något som uppfanns här på Fermilab för 20 år sedan, "Sade Shiltsev." Detta är en av de sällsynta teknikerna som inte bara blev perfekta på Fermilab:Den uppfanns, utvecklas och fulländas och fortsätter att lysa. "