Acceleratorfysiker har demonstrerat en banbrytande teknik med hjälp av buntar av elektroner för att hålla strålar av partiklar svala vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - en amerikansk Department of Energy Office of Science användaranläggning för kärnfysisk forskning vid Brookhaven National Laboratory. Denna "bundna balk" elektronkylningsteknik möjliggör högre partikelkollisioner vid RHIC, där forskare studerar kollisionsresterna för att lära sig om materiens byggstenar som de fanns strax efter Big Bang.

Brookhaven's accelerator -team testar metoden vid kolliderarens lägsta energier - en regim där data har varit knappa ännu är avgörande för att förstå hur partiklarna som fyllde det tidiga universum förvandlades till den vanliga materia som utgör vår värld idag.

"Lågenergiförhållandena är faktiskt de mest utmanande för denna teknik, sa Alexei Fedotov, Brookhaven Labs acceleratorfysiker som ledde ansträngningen och teamet på nästan 100 personer som fick det att hända.

"Nu när vi har demonstrerat strålkylning i den mest utmanande energisituationen, det öppnar möjligheten att tillämpa samma principer på högre energier-inklusive vid en eventuell framtida elektron-jon-kolliderare, " han sa.

Att besegra utmaningar

Prestationen bygger på en idé som uppfanns för drygt 50 år sedan av den ryska fysikern Gersh Budker - nämligen med hjälp av en elektronstråle (som i sig är svalare än större partiklar som rör sig med samma hastighet) för att extrahera värme från en stråle av större partiklar. Detta håller partiklarna tätt packade och mer benägna att kollidera. Men Brookhaven-versionen innehåller en serie första-i-världen-prestationer och innovationer som även experter på området tvivlade på kunde lyckas så snabbt.

"Det fanns många fysiska och tekniska utmaningar att övervinna, "Noterade Fedotov.

Teamet var tvungen att bygga och ta i drift en ny toppmodern elektronaccelerator som skulle passa inuti RHIC-tunneln-som inkluderade att använda mer kompakt radiofrekvens (RF) accelerationsteknik snarare än den vanliga likströmsmetoden (DC) som används i alla tidigare elektronkylningsinställningar. Och eftersom RHIC:s joner cirkulerar som periodiska partiklar, inte en kontinuerlig ström, elektronerna var tvungna att produceras i pulser som stämde överens med dessa grupper - inte bara i timing utan också i energi och bana - allt samtidigt som de behöll sin inneboende svalhet. Plus, eftersom RHIC verkligen är två acceleratorer, med jonstrålar som rör sig i motsatta riktningar i två strålrör, fysikerna var tvungna att räkna ut hur man kyler båda strålarna med samma ström av elektroner!

"Annars skulle vi ha behövt bygga två av dessa elektronacceleratorer, Sa Fedotov.

"Det är faktiskt en enorm installation bestående av många komplexa komponenter, inklusive 100 meter strålning där de accelererade elektronerna förökar sig med jonerna i en RHIC -stråle för att extrahera deras värme, gör sedan en 180-graders sväng för att kyla jonerna i den andra RHIC-strålen som rör sig i motsatt riktning. Det har aldrig gjorts förut! "

Genererar elektroner

För att generera och snabbt accelerera dessa precisionselektronbuntar, laget använde en laseraktiverad fotokatodelektronpistol följt av en accelererande RF-hålighet. Pistolen använder en högfrekvent högeffektslaser och Brookhaven-designade fotokatoder som transporteras 12 gånger i taget i en vakuumkammare från Brookhaven's Instrumentation Division till RHIC-tunneln. Väl på RHIC, vakuumkammaren kan rotera som ett pariserhjul för att stänga av fotokatoder när de slits ut medan RHIC körs, gör att pistolen kan köra med hög ström för långsiktig drift när tillgången till RHIC är begränsad.

"När vi först pratade om denna design, 2015, detta var bara en teckning! "sa Fedotov." Nu använder vi det rutinmässigt. "

Den gröna lasern som utlöser fotokatoderna för att avge elektronpulser är också den första i sitt slag-den högsta genomsnittliga gröna lasern som någonsin genererats av en enda fiberbaserad laser. Precisionsinriktning och trimning av laserpulserna styr frekvensen hos de elektronbuntar som genereras för kylning.

Laser- och fotokatopistolen producerade de första elektronpulserna i maj 2017. Sedan, efter idrifttagning av de första sju metrarna av strållinje (injektorn för gaspedalen) i slutet av 2017, laget installerade 100 meter balklinje, inklusive fem RF -håligheter och raka kylsektioner täckta av flera lager av magnetisk skärmning, i januari 2018. De spenderade sedan förra året på att idrifttaga hela elektronacceleratorn.

Håller det kallt

"Den största utmaningen var att leverera en stråle med alla egenskaper som krävs för kylning - vilket betyder små relativa hastigheter i alla riktningar, med matchande energier och små vinklar-och sedan sprida denna mycket lågenergiska elektronstråle längs 100 meters stråltransportledning samtidigt som dessa egenskaper bibehålls, "sa Dmitry Kayran, acceleratorfysikern som ledde idrifttagningsarbetet.

Kayran beskrev arbetet med simuleringar som gick in på att optimera strålparametrar, som vägledde installationen av strålövervakningsinstrument, som i sin tur bestämde placeringen av RF -accelerationshålrummen.

"På grund av acceleration, strålkvaliteten kan försämras, så du behöver denna övervakning och noggranna justeringar för att hålla energispridningen så låg som möjligt, "Sa Kayran.

"Utformningen av kyldelarna för lågenergi RHIC-elektronkylning (LEReC) är unik, "sa acceleratorfysikern Sergei Seletskiy, som ledde den delen av insatsen. "Att bevara strålkvaliteten i dessa kylsektioner i båda RHIC -ringarna är en utmaning, och återigen något som har demonstrerats för första gången med detta projekt.

"Många unika funktioner och utmaningar i vårt projekt är relaterade till det faktum att, för första gången på 50 år, vi tillämpar elektronkylning direkt på jon-kollisionsenergi, "noterade han." Att se allt detta knyta ihop och arbeta för att kyla joner med hopbundna elektronstrålar och i två kolliderringar samtidigt är fantastiskt. Detta är en stor prestation inom acceleratorfysik! "

Nästa steg blir att visa att kylningen ökar kollisionshastigheterna vid nästa års RHIC-lågenergikollisioner-och sedan extraherar data och vad de avslöjar om materiens byggstenar.

Med en sammankopplad elektronkylningsteknik som nu experimentellt demonstrerats på Brookhaven Lab, dess tillämpning på högenergikylning kan öppna nya möjligheter genom att producera högkvalitativa hadronstrålar som krävs för flera framtida acceleratorfysikprojekt, inklusive den föreslagna elektron-jon-kollideraren (EIC).

LEReC finansierades av DOE Office of Science och drog nytta av hjälp och expertis från Brookhaven Labs Collider-Accelerator Department and Instrumentation Division, samt bidrag från Fermi National Accelerator Laboratory, Argonne National Laboratory, Thomas Jefferson National Accelerator Facility, och Cornell University.