Innan forskare kan krossa ihop partiklar för att studera partiklarnas interaktioner med hög energi, de behöver skapa dessa strålar i partikelacceleratorer. Och ju hårdare partiklarna packas i balkarna, de bättre forskarnas chanser att upptäcka sällsynta fysikfenomen.

Att göra en partikelstråle tätare eller ljusare liknar att stoppa en uppblåst ballong i frysen. Precis som att minska den slumpmässiga rörelsen för gasmolekylerna inuti ballongen får ballongen att krympa, att minska den slumpmässiga rörelsen för partiklarna i en stråle gör strålen tätare. Men fysiker har inte frysar för partiklar som rör sig nära ljusets hastighet - så de tänker på andra smarta sätt att kyla ned strålen.

Ett experiment pågår vid Fermilabs Integrable Optics Test Accelerator försöker vara det första som visar optisk stokastisk kylning, en ny strålkylningsteknik som har potential att dramatiskt påskynda kylprocessen. Om det lyckas, tekniken skulle göra det möjligt för framtida experiment att generera ljusare strålar av laddade partiklar och studera tidigare otillgänglig fysik.

"Det finns denna mängd energier - ungefär 10 till 1, 000 GeV— där det för närvarande inte finns någon teknik för att kyla protoner, och det är där optisk stokastisk kylning kan tillämpas för tillfället, "sa Fermilab -forskaren Alexander Valishev, ledaren för teamet som designat och konstruerat IOTA. "Men om vi utvecklar det, då är jag säker på att det kommer att finnas andra applikationer. "

I januari, IOTA:s OSC -experiment började ta data. IOTA stöds av U.S. Department of Energy Office of Science.

OSC fungerar på samma princip som konventionell stokastisk kylning, en teknik utvecklad av Simon van der Meer och utnyttjad av Carlo Rubbia för 1983 års upptäckt av W- och Z -bosonerna. Van der Meer och Rubbia vann Nobelpriset i fysik 1984 för sitt arbete, som sedan har funnits användning i många partikelacceleratorer.

Stokastisk kylning ger ett sätt att mäta hur partiklarna i en stråle rör sig bort från den önskade banan och tillämpa korrigeringar för att knuffa dem närmare varandra, vilket gör strålen tätare. Tekniken beror på samspelet mellan laddade partiklar och den elektromagnetiska strålning de avger.

När laddade partiklar som elektroner eller protoner rör sig i en krökt bana, de utstrålar energi i form av ljus, som en pickup i gaspedalen upptäcker. Varje ljussignal innehåller information om den genomsnittliga positionen och hastigheten för ett "gäng" av miljoner eller miljarder partiklar.

Sedan tillämpar en elektromagnetenhet som kallas en kicker samma signal tillbaka på gänget för att korrigera eventuella vilselös rörelser, som en fotbollsspelare som sparkar en boll för att hålla den inom gränserna. Varje spark ger medelpartikelns position och hastighet närmare det önskade värdet, men enskilda partiklar kan fortfarande glida iväg. För att korrigera rörelsen för enskilda partiklar och skapa en tät stråle, processen måste upprepas många tusen gånger när strålen cirkulerar i acceleratorn.

Traditionell stokastisk kylning använder elektromagnetiska signaler i mikrovågsutbudet, med centimeterlånga våglängder. OSC använder synligt och infrarött ljus, med våglängder runt en mikron - en miljonedel av en meter.

"Skalan bestäms av våglängden, "Valishev sa." De kortare våglängderna betyder att vi kan läsa strålinformationen med högre upplösning och bättre exakta korrigeringar. "

Den högre upplösningen gör att OSC kan ge mer exakta sparkar till mindre grupper av partiklar. Mindre grupper av partiklar kräver färre sparkar för att svalna, precis som en liten ballong svalnar snabbare än en stor när den läggs i frysen. Varje partikel sparkas en gång per varv runt acceleratorn. Eftersom färre sparkar krävs, hela strålen svalnar efter färre varv.

I princip, OSC kan påskynda strålkylningen med en faktor 10, 000 jämfört med konventionell stokastisk kylning. Det första demonstrationsexperimentet på IOTA, som använder en elektronenstråle av medel-energi, har ett mer blygsamt mål. När strålen cirkulerar i acceleratorn och utstrålar ljus, det tappar energi, kylning på egen hand på ungefär 1 sekund; IOTA eftersträvar en tiofaldig minskning av den kyltiden.

Förslag för OSC väckte acceleratorgemenskapens intresse redan på 1990 -talet, men hittills har en framgångsrik implementering undvikit forskare. Att utnyttja kortare våglängder av ljus väcker en mängd tekniska utmaningar.

"De relativa positionerna för alla relevanta element måste kontrolleras vid en kvarts våglängd eller bättre, "Sa Valishev." Utöver det, du måste läsa vågpaketet från strålen, och sedan måste du transportera den, förstärka det, och applicera sedan tillbaka den på samma stråle. På nytt, allt måste göras med denna extrema precision. "

IOTA visade sig vara den perfekta acceleratorn för jobbet. Mittpunkten i Fermilab Accelerator Science and Technology -anläggningen, IOTA har en flexibel design som gör det möjligt för forskare att skräddarsy komponenterna i strållinjen när de driver gränserna för acceleratorvetenskap.

IOTA:s OSC -experiment börjar med elektroner eftersom dessa lätta partiklar enkelt och billigt kan accelereras till de hastigheter med vilka de utstrålar synligt och infrarött ljus. I framtiden, forskare hoppas kunna tillämpa tekniken på protoner. På grund av deras större massa, protoner måste nå högre energier för att utstråla det önskade ljuset, gör dem svårare att hantera.

I början, IOTA kommer att studera passiv kylning, där ljuset från elektronstrålen inte kommer att förstärkas innan det strålar tillbaka på strålen. Efter att det förenklade tillvägagångssättet lyckats, laget kommer att lägga till optiska förstärkare för att stärka ljuset som ger de korrigerande sparkarna.

Förutom att tillhandahålla en ny kylteknik för partiklar med hög energi, OSC kan förbättra studiet av grundläggande elektrodynamik och interaktioner mellan elektroner och fotoner.

"Optisk stokastisk kylning är en blandning av olika områden inom modern experimentell fysik, från acceleratorer och strålar till ljusoptik, allt samman i ett paket, "Valishev sa." Det gör det mycket utmanande och också mycket stimulerande att arbeta med. "