Fysiker älskar att slå ihop partiklar och studera det kaos som blir resultatet. Däri ligger upptäckten av nya partiklar och märklig fysik, genererad för små bråkdelar av en sekund och återskapande förhållanden som ofta inte setts i vårt universum på miljarder år. Men för att magin ska hända måste två partikelstrålar först kollidera.

Forskare vid det amerikanska energidepartementets Fermi National Accelerator Laboratory har meddelat den första framgångsrika demonstrationen av en ny teknik som förbättrar partikelstrålar. Denna demonstration skulle kunna användas i framtida partikelacceleratorer för att potentiellt använda metoden för att skapa bättre, tätare partikelstrålar, öka antalet kollisioner och ge forskare en bättre chans att utforska sällsynta fysikfenomen som hjälper oss att förstå vårt universum. Teamet publicerade sina resultat i en ny utgåva av Nature .

Partikelstrålar är gjorda av miljarder partiklar som reser tillsammans i grupper som kallas buntar. Att kondensera partiklarna i varje stråle så att de packas tätt tillsammans gör det mer sannolikt att partiklar i kolliderande klasar kommer att interagera – på samma sätt som flera personer som försöker ta sig igenom en dörr samtidigt är mer benägna att knuffa varandra än när de går igenom ett vidöppet rum.

Att packa ihop partiklar i en stråle kräver något liknande det som händer när man lägger en uppblåst ballong i en frys. Kylning av gasen i ballongen minskar molekylernas slumpmässiga rörelser och får ballongen att krympa. Att "kyla" en stråle minskar partiklarnas slumpmässiga rörelse och gör strålen smalare och tätare.

På Fermilab använde forskare labbets senaste lagringsring, Integrable Optics Test Accelerator, känd som IOTA, för att demonstrera och utforska en ny typ av strålkylningsteknik med potential att dramatiskt påskynda den kylprocessen.

"IOTA byggdes som en flexibel maskin för forskning och utveckling inom acceleratorvetenskap och teknik", säger Jonathan Jarvis, forskare på Fermilab. "Den flexibiliteten gör att vi snabbt kan konfigurera om lagringsringen för att fokusera på olika möjligheter med stor effekt. Det är precis vad vi har gjort med den här nya kyltekniken."

Den nya tekniken kallas optisk stokastisk kylning och detta kylsystem mäter hur partiklar i en stråle rör sig bort från sin ideala kurs med hjälp av en speciell konfiguration av magneter, linser och annan optik för att ge korrigerande knuffar.

Den här typen av kylsystem mäter hur partiklar i en stråle rör sig bort från sin ideala kurs och använder sedan en speciell konfiguration av magneter, linser och annan optik för att ge korrigerande knuffar. Det fungerar på grund av en speciell egenskap hos laddade partiklar som elektroner och protoner:När partiklarna rör sig längs en krökt bana utstrålar de energi i form av ljuspulser, vilket ger information om positionen och hastigheten för varje partikel i gänget. Strålkylningssystemet kan samla in denna information och använda en enhet som kallas kickermagnet för att stöta tillbaka dem i linje.

Konventionell stokastisk kylning, som gav sin uppfinnare, Simon van der Meer, en del av 1984 års Nobelpris, fungerar genom att använda ljus i mikrovågsområdet med våglängder på flera centimeter. Däremot använder optisk stokastisk kylning synligt och infrarött ljus, som har våglängder runt en miljondels meter. Den kortare våglängden gör att forskare kan känna av partiklarnas aktivitet mer exakt och göra mer exakta korrigeringar.

För att förbereda en partikelstråle för experiment skickar acceleratoroperatörer den flera gånger genom kylsystemet. Den förbättrade upplösningen av optisk stokastisk kylning ger mer exakta kickar till mindre grupper av partiklar, så färre varv runt lagringsringen behövs. Med strålen kyld snabbare kan forskare ägna mer tid åt att använda dessa partiklar för att producera experimentella data.

Kylningen hjälper också till att bevara strålar genom att kontinuerligt regera i partiklarna när de studsar av varandra. I princip kan optisk stokastisk kylning öka den senaste kylningshastigheten med upp till en faktor 10 000.

Denna första demonstration på IOTA använde en medelenergielektronstråle och en konfiguration som kallas "passiv kylning", som inte förstärker ljuspulserna från partiklarna. Teamet observerade framgångsrikt effekten och uppnådde ungefär en tiofaldig ökning av kylningshastigheten jämfört med den naturliga "strålningsdämpningen" som strålen upplever i IOTA. De kunde också kontrollera om strålen kyls i en, två eller alla tre dimensionerna. Slutligen, förutom att kyla strålar med miljontals partiklar, körde forskare också experiment som studerade kylningen av en enstaka elektron lagrad i acceleratorn.

"Det är spännande eftersom detta är den första kylningstekniken som demonstreras i den optiska regimen, och detta experiment låter oss studera den mest väsentliga fysiken i kylprocessen," sa Jarvis. "We've already learned a lot, and now we can add another layer to the experiment that brings us significantly closer to real applications."

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." + Utforska vidare

Next-generation particle beam cooling experiment under way at Fermilab accelerator