I fisici degli acceleratori hanno dimostrato una tecnica rivoluzionaria che utilizza grappoli di elettroni per mantenere freschi i fasci di particelle presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una struttura utente dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per la ricerca sulla fisica nucleare presso il Brookhaven National Laboratory. Questa tecnica di raffreddamento degli elettroni "a fascio raggruppato" consentirà tassi di collisione di particelle più elevati a RHIC, dove gli scienziati studiano i detriti della collisione per conoscere gli elementi costitutivi della materia così come esistevano subito dopo il Big Bang.

Il team dell'acceleratore di Brookhaven sta testando il metodo alle energie più basse del collisore, un regime in cui i dati sono scarsi ma sono cruciali per comprendere come le particelle che riempivano l'universo primordiale si siano trasformate nella materia ordinaria che costituisce il nostro mondo oggi.

"Le condizioni di bassa energia sono in realtà le più impegnative per questa tecnica, " ha detto Alexei Fedotov, il fisico dell'acceleratore Brookhaven Lab che ha guidato lo sforzo e il team di quasi 100 persone che lo hanno reso possibile.

"Ora che abbiamo dimostrato il raffreddamento a fascio raggruppato nella situazione energetica più impegnativa, apre la possibilità di applicare questi stessi principi a energie più elevate, incluso un possibile futuro Electron-Ion Collider, " Egli ha detto.

Vincere le sfide

Il risultato si basa su un'idea inventata poco più di 50 anni fa dal fisico russo Gersh Budker, vale a dire, utilizzando un fascio di elettroni (che sono intrinsecamente più freddi delle particelle più grandi che si muovono alla stessa velocità) per estrarre calore da un fascio di particelle più grandi. Ciò mantiene le particelle strettamente imballate e più soggette a collisione. Ma la versione Brookhaven include una serie di primi successi e innovazioni al mondo che persino gli esperti del settore dubitavano potessero avere successo così rapidamente.

"C'erano molte sfide fisiche e ingegneristiche da superare, " Fedotov ha osservato.

Il team ha dovuto costruire e commissionare un nuovo acceleratore di elettroni all'avanguardia che si adattasse all'interno del tunnel RHIC, che includeva l'uso di una tecnologia di accelerazione a radiofrequenza (RF) più compatta piuttosto che il metodo standard a corrente continua (DC) utilizzato in tutte le precedenti configurazioni di raffreddamento degli elettroni. E poiché gli ioni di RHIC circolano come grappoli periodici di particelle, non un flusso continuo, gli elettroni dovevano essere prodotti in impulsi che corrispondessero a quei grappoli, non solo nei tempi, ma anche nell'energia e nella traiettoria, il tutto mantenendo la loro intrinseca freddezza. Più, perché RHIC è davvero due acceleratori, con fasci di ioni che si muovono in direzioni opposte in due beampipe, i fisici hanno dovuto capire come raffreddare entrambi i fasci con lo stesso flusso di elettroni!

"Altrimenti avremmo dovuto costruire due di questi acceleratori di elettroni, " Disse Fedotov.

"In realtà è un'enorme installazione composta da molti componenti complessi, compresi 100 metri di linea di luce dove gli elettroni accelerati si propagano con gli ioni in un raggio RHIC per estrarre il loro calore, quindi fare una rotazione di 180 gradi per raffreddare gli ioni dell'altro raggio RHIC che si muove nella direzione opposta. Non è mai stato fatto prima!"

Generazione di elettroni

Per generare e accelerare rapidamente questi fasci di elettroni di precisione, il team ha utilizzato un cannone elettronico a fotocatodo attivato dal laser seguito da una cavità RF in accelerazione. La pistola utilizza un laser ad alta frequenza ad alta potenza e fotocatodi progettati da Brookhaven che vengono trasportati 12 alla volta in una camera a vuoto dalla divisione di strumentazione di Brookhaven al tunnel RHIC. Una volta al RHIC, la camera a vuoto può ruotare come una ruota panoramica per spegnere i fotocatodi quando si consumano mentre RHIC è in funzione, consentendo alla pistola di funzionare ad alta corrente per un funzionamento a lungo termine quando l'accesso a RHIC è limitato.

"Quando abbiamo parlato per la prima volta di questo design, nel 2015, questo era solo un disegno!" disse Fedotov. "Ora lo usiamo abitualmente".

Il laser verde che fa scattare i fotocatodi per emettere impulsi di elettroni è anche il primo del suo genere:il laser verde a più alta potenza media mai generato da un singolo laser a fibra. L'allineamento di precisione e il taglio degli impulsi laser controllano la frequenza dei fasci di elettroni generati per il raffreddamento.

La pistola laser e fotocatodo ha prodotto i primi impulsi di elettroni nel maggio 2017. Quindi, dopo aver messo in servizio i primi sette metri di beamline (l'iniettore per l'acceleratore) a fine 2017, il team ha installato 100 metri di linea di luce, comprese cinque cavità RF e sezioni di raffreddamento diritte coperte da diversi strati di schermatura magnetica, nel gennaio 2018. Hanno quindi trascorso l'anno scorso a commissionare l'acceleratore di elettroni completo.

Mantenerlo fresco

"La sfida principale era fornire un raggio con tutte le proprietà necessarie per il raffreddamento, ovvero piccole velocità relative in tutte le direzioni, con energie corrispondenti e piccoli angoli, e quindi propagando questo fascio di elettroni a bassissima energia lungo 100 metri di linea di trasporto del fascio mantenendo tali proprietà, " ha detto Dmitry Kayran, il fisico dell'acceleratore che ha guidato lo sforzo di messa in servizio.

Kayran ha descritto il lavoro sulle simulazioni che ha portato all'ottimizzazione dei parametri del fascio, che ha guidato l'installazione degli strumenti di monitoraggio del fascio, che a sua volta ha determinato il posizionamento delle cavità di accelerazione RF.

"A causa dell'accelerazione, la qualità del raggio può deteriorarsi, quindi hai bisogno di questo monitoraggio e di attente regolazioni per mantenere la diffusione di energia il più bassa possibile, " ha detto Kayran.

"Il design delle sezioni di raffreddamento per il raffreddamento di elettroni RHIC a bassa energia (LEReC) è unico, " ha detto il fisico dell'acceleratore Sergei Seletskiy, che ha guidato quella parte dello sforzo. "Preservare la qualità del raggio in queste sezioni di raffreddamento di entrambi gli anelli RHIC è una sfida, e ancora qualcosa che è stato dimostrato per la prima volta con questo progetto.

"Molte caratteristiche e sfide uniche del nostro progetto sono legate al fatto che, per la prima volta in 50 anni, stiamo applicando il raffreddamento degli elettroni direttamente all'energia di collisione ionica, " ha osservato. "Vedere tutto questo legare insieme e lavorare per raffreddare gli ioni con fasci di elettroni raggruppati e in due anelli di collisione contemporaneamente è sorprendente. Questo è un grande traguardo nella fisica degli acceleratori!"

Il prossimo passo sarà mostrare che il raffreddamento migliora i tassi di collisione nelle collisioni a bassa energia RHIC del prossimo anno, e quindi estrarre i dati e ciò che rivelano sugli elementi costitutivi della materia.

Con una tecnica di raffreddamento a fascio di elettroni ora dimostrata sperimentalmente al Brookhaven Lab, la sua applicazione al raffreddamento ad alta energia può aprire nuove possibilità producendo fasci di adroni di alta qualità che sono necessari per diversi futuri progetti di fisica dell'acceleratore, compreso il proposto Electron-Ion Collider (EIC).

LEReC è stato finanziato dal DOE Office of Science e ha beneficiato dell'aiuto e dell'esperienza di molti nel dipartimento Collider-Accelerator e nella divisione di strumentazione di Brookhaven Lab, oltre ai contributi del Fermi National Accelerator Laboratory, Laboratorio Nazionale Argonne, Thomas Jefferson National Accelerator Facility, e Cornell University.