Inviare gruppi di protoni che sfrecciano attorno a un collisore di particelle circolari per incontrarsi in un punto specifico non è un'impresa facile. Molti diversi componenti del collisore funzionano per mantenere i fasci di protoni in rotta e per evitare che diventino indisciplinati.

Gli scienziati del Fermilab hanno inventato e sviluppato un nuovo componente del collisore 20 anni fa:la lente elettronica. Le lenti elettroniche sono fasci di elettroni formati in forme specifiche che modificano il movimento di altre particelle, solitamente protoni, che le attraversano.

L'ormai ritirato Tevatron, un collisore circolare al Fermilab, e il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) al Brookhaven National Laboratory hanno entrambi beneficiato delle lenti elettroniche, un concetto originariamente sviluppato al Fermilab.

"Le lenti elettroniche sono come un coltellino svizzero per gli acceleratori:sono relativamente semplici ed economiche, ma possono essere applicati in un'ampia varietà di modi, " ha detto Alexander Valishev, uno scienziato del Fermilab che è stato coautore di un recente studio per una nuova applicazione di lenti elettroniche, che potrebbe essere cruciale per i prossimi collisori.

L'innovazione è dettagliata in un articolo pubblicato il 27 settembre in Lettere di revisione fisica .

"Questo piccolo passo avanti nella fisica dei raggi e degli acceleratori è una specie di inizio di un'invenzione più grande:è una cosa nuova, " ha detto Vladimir Shiltsev del Fermilab, un autore del documento pubblicato. Shiltsev ha anche svolto un ruolo importante nell'origine delle lenti elettroniche nel 1997. "Fermilab è noto per le invenzioni e gli sviluppi che sono, primo, eccitante, poi, funzionale. È per questo che sono costruiti i laboratori nazionali, ed è quello che abbiamo ottenuto".

Una lente nel futuro

Questo nuovo tipo di lente elettronica, chiamato lente di smorzamento Landau, sarà una parte fondamentale di un enorme, progetto futuro nella ricerca sulla fisica delle particelle:il Future Circular Collider al CERN. La FCC spingerebbe i confini del tradizionale design del collisore per studiare ulteriormente la fisica delle particelle oltre il bosone di Higgs, una particella fondamentale scoperta solo cinque anni fa.

L'FCC proposto deve essere una macchina ad alta luminosità:i suoi fasci di particelle dovranno essere compatti e densamente imballati. Rispetto al Large Hadron Collider del CERN, i fasci avranno anche un drammatico aumento di energia:50 trilioni di elettronvolt, confrontato con l'energia del fascio di LHC di 7 trilioni di elettronvolt. Ciò comporta un altrettanto drammatico aumento delle dimensioni dell'acceleratore. Con una circonferenza pianificata di 100 chilometri, la FCC farebbe impallidire l'LHC di 27 chilometri.

Questi ad alta energia, tutti i supercollider ad alta luminosità hanno un problema, indipendentemente dalle dimensioni:un intenso raggio di protoni impacchettato nella larghezza dei capelli umani che viaggia su una lunga distanza può diventare instabile, soprattutto se tutti i protoni viaggiano esattamente allo stesso modo.

In un collisore, le particelle arrivano in pacchetti chiamati grappoli, flussi lunghi circa un piede pieni di centinaia di miliardi di particelle. Un fascio di particelle è formato da dozzine, centinaia o migliaia di questi grappoli.

Immagina un collisore circolare come una pista stretta, con protoni in un mucchio come un pacchetto stretto di auto da corsa. Un pezzo di detriti appare improvvisamente nel mezzo della pista, interrompendo il flusso del traffico. Se ogni macchina reagisce allo stesso modo, dire, virando bruscamente a sinistra, potrebbe portare a un grave tamponamento.

All'interno del collisore, non si tratta di evitare un solo dosso in pista, ma adeguandosi a numerosi ostacoli dinamici, facendo sì che i protoni cambino il loro corso molte volte. Se un'anomalia, come un nodo nel campo magnetico del collisore, si verifica inaspettatamente, e se i protoni nel raggio reagiscono tutti allo stesso modo allo stesso tempo, anche un leggero cambio di rotta potrebbe rapidamente impazzire.

Si potrebbe evitare il problema assottigliando il fascio di particelle fin dall'inizio. Utilizzando fasci di protoni a bassa densità, fornisci meno opportunità ai protoni di andare fuori rotta. Ma ciò significherebbe rimuovere i protoni e quindi perdere il potenziale per la scoperta scientifica.

Un altro, il modo migliore per affrontare il problema è introdurre differenze nel raggio in modo che non tutti i protoni nei grappoli si comportino allo stesso modo.

Per tornare in pista:se tutti i piloti reagiscono al pezzo di detriti in modi diversi, alcuni si spostano leggermente a destra, altri leggermente a sinistra, un pilota coraggioso salta sopra la vetta:le auto possono riunirsi tutte insieme e continuare la gara, nessun incidente.

Creare differenziazioni all'interno di un gruppo di protoni farebbe essenzialmente la stessa cosa. Ogni protone segue il suo, rotta sempre leggermente diversa attorno al collisore. Per di qua, ogni partenza dal corso è isolata, piuttosto che aggravato da protoni che si comportano tutti male in concerto, riducendo al minimo le oscillazioni dannose del raggio.

"Le particelle al centro del grappolo si muoveranno in modo diverso rispetto alle particelle intorno all'esterno, " ha detto Shiltsev. "I protoni saranno tutti un po' incasinati, ma è quello che vogliamo. Se si muovono tutti insieme, diventano instabili".

Queste differenze vengono solitamente create con un tipo speciale di magnete chiamato ottupoli. Il Tevatron, prima della sua disattivazione nel 2011, aveva 35 magneti ottupolari, e l'LHC ora ne ha 336.

Ma man mano che i collisori diventano più grandi e raggiungono energie maggiori, hanno bisogno di numeri esponenzialmente più alti di magneti:la FCC ne richiederà più di 10, 000 magneti ottupolari, ciascuna lunga un metro, per ottenere gli stessi risultati di stabilizzazione del raggio dei precedenti collisori.

Così tanti magneti occupano molto spazio:ben 10 dei 100 chilometri della FCC.

"Sembra ridicolo, " ha detto Shiltsev. "Stiamo cercando un modo per evitarlo."

La comunità scientifica riconosce la lente non lineare smorzante di Landau come una probabile soluzione a questo problema:una singola lente elettronica lunga un metro potrebbe sostituire tutte le 10, 000 magneti ottupolo e forse fanno un lavoro migliore mantenendo i raggi stabili mentre accelerano verso la collisione, senza introdurre nuovi problemi.

"Al CERN hanno abbracciato l'idea di questo nuovo tipo di lente elettronica, e le persone li studieranno in modo più dettagliato per la FCC, " ha detto Valishev. "Dato quello che sappiamo finora sui problemi che i futuri collisori dovranno affrontare, questo sarebbe un dispositivo di altissima criticità. Per questo siamo emozionati".

Lego elettronici

La lente di smorzamento di Landau si unirà ad altri due tipi di lenti elettroniche nel repertorio di strumenti che i fisici devono modificare o controllare i raggi all'interno di un collisore.

"Dopo molti anni di utilizzo, le persone sono molto contente delle lenti elettroniche:è uno degli strumenti utilizzati per i moderni acceleratori, come magneti o cavità superconduttrici, " ha detto Shiltsev. "Le lenti elettroniche sono solo uno degli elementi costitutivi o dei pezzi di Lego".

Le lenti elettroniche sono molto simili ai Lego:i pezzi Lego sono fatti dello stesso materiale e possono essere dello stesso colore, ma una forma diversa determina come possono essere utilizzati. Le lenti elettroniche sono tutte fatte di nuvole di elettroni, modellato da campi magnetici. La forma della lente determina come la lente influenza un fascio di protoni.

Gli scienziati hanno sviluppato la prima lente elettronica al Fermilab nel 1997 da utilizzare per compensare i cosiddetti effetti fascio-fascio nel Tevatron, e un simile tipo di lente elettronica è ancora in uso al Brookhaven's RHIC.

Nei collisori circolari, fasci di particelle passano l'un l'altro, andando in direzioni opposte all'interno del collisore fino a quando non vengono guidati in una collisione in punti specifici. Mentre i raggi ronzano l'uno sull'altro, esercitano una piccola forza l'uno sull'altro, che fa espandere leggermente i grappoli di protoni, diminuendo la loro luminosità.

Quella prima lente elettronica, chiamata lente di compensazione del fascio luminoso, è stato creato per combattere l'interazione tra le travi riportandole al loro originale, stato compatto.

Dopo il successo di questo tipo di lente elettronica nel Tevatron, gli scienziati si sono resi conto che i fasci di elettroni potevano essere modellati in un secondo modo per creare un altro tipo di lente elettronica.

Gli scienziati hanno progettato la seconda lente in modo che avesse la forma di una cannuccia, permettendo al fascio di protoni di passare attraverso l'interno inalterato. Il protone occasionale potrebbe cercare di lasciare il suo gruppo e allontanarsi dal centro del raggio. Nell'LHC, perdere anche un millesimo del numero totale di protoni in modo incontrollato potrebbe essere pericoloso. La lente elettronica funge da raschietto, rimuovendo queste particelle canaglia prima che possano danneggiare il collisore.

"È estremamente importante avere la capacità di raschiare queste particelle perché la loro energia è enorme, " ha detto Shiltsev. "Incontrollato, possono praticare fori, rompere i magneti o produrre radiazioni."

Entrambi i tipi di lenti elettroniche hanno lasciato il segno nel design del collisore come parte del successo del Tevatron, RHIC e LHC. La nuova lente di smorzamento Landau può aiutare a inaugurare la prossima generazione di collisori.

"La lente elettronica è un esempio di qualcosa che è stato inventato qui al Fermilab 20 anni fa, " ha detto Shiltsev. "Questa è una delle rare tecnologie che non è stata portata alla perfezione solo al Fermilab:è stata inventata, sviluppato e perfezionato e continua a brillare."