Prima che i ricercatori possano unire fasci di particelle per studiare le interazioni tra particelle ad alta energia, hanno bisogno di creare quei fasci negli acceleratori di particelle. E più le particelle sono impacchettate nelle travi, le migliori possibilità per gli scienziati di individuare fenomeni fisici rari.

Rendere un fascio di particelle più denso o più luminoso è come attaccare un palloncino gonfiato nel congelatore. Proprio come la riduzione del movimento casuale delle molecole di gas all'interno del palloncino provoca il restringimento del palloncino, la riduzione del movimento casuale delle particelle in un fascio rende il fascio più denso. Ma i fisici non hanno congelatori per le particelle che si muovono vicino alla velocità della luce, quindi escogitano altri modi intelligenti per raffreddare il raggio.

Un esperimento in corso presso l'Integrable Optics Test Accelerator del Fermilab cerca di essere il primo a dimostrare il raffreddamento stocastico ottico, una nuova tecnologia di raffreddamento del fascio che ha il potenziale per accelerare notevolmente il processo di raffreddamento. In caso di successo, la tecnica consentirebbe ai futuri esperimenti di generare fasci più luminosi di particelle cariche e di studiare la fisica precedentemente inaccessibile.

"C'è questa gamma di energie, circa 10 a 1, 000 GeV— dove attualmente non esiste una tecnologia per raffreddare i protoni, ed è qui che al momento potrebbe essere applicato il raffreddamento stocastico ottico, " ha detto lo scienziato del Fermilab Alexander Valishev, il leader del team che ha progettato e costruito IOTA. "Ma se lo sviluppiamo, poi sono sicuro che ci saranno altre applicazioni."

A gennaio, L'esperimento OSC di IOTA ha iniziato a raccogliere dati. IOTA è supportato dal Dipartimento di Energia degli Stati Uniti Office of Science.

OSC funziona secondo lo stesso principio del raffreddamento stocastico convenzionale, una tecnologia sviluppata da Simon van der Meer e sfruttata da Carlo Rubbia per la scoperta del 1983 dei bosoni W e Z. Van der Meer e Rubbia hanno vinto il Premio Nobel 1984 per la fisica per il loro lavoro, che da allora ha trovato impiego in molti acceleratori di particelle.

Il raffreddamento stocastico fornisce un modo per misurare come le particelle in un raggio si allontanano dalla traiettoria desiderata e applicano correzioni per avvicinarle, rendendo così il fascio più denso. La tecnica si basa sull'interazione tra le particelle cariche e la radiazione elettromagnetica che emettono.

Poiché le particelle cariche come elettroni o protoni si muovono lungo un percorso curvo, irradiano energia sotto forma di luce, che rileva un pickup nell'acceleratore. Ogni segnale luminoso contiene informazioni sulla posizione media e sulla velocità di un "mazzetto" di milioni o miliardi di particelle.

Quindi un dispositivo elettromagnetico chiamato kicker applica lo stesso segnale al mazzo per correggere qualsiasi movimento vagante, come un giocatore di calcio che calcia un pallone per tenerlo entro i limiti. Ogni calcio avvicina la posizione e la velocità medie delle particelle al valore desiderato, ma le singole particelle possono ancora allontanarsi. Per correggere il moto delle singole particelle e creare un fascio denso, il processo deve essere ripetuto molte migliaia di volte mentre il fascio circola nell'acceleratore.

Il raffreddamento stocastico tradizionale utilizza segnali elettromagnetici nel campo delle microonde, con lunghezze d'onda centimetriche. OSC utilizza la luce visibile e infrarossa, con lunghezze d'onda intorno a un micron, un milionesimo di metro.

"La scala è impostata dalla lunghezza d'onda, " Ha detto Valishev. "Le lunghezze d'onda più corte significano che possiamo leggere le informazioni del raggio con una risoluzione più elevata e migliori correzioni puntuali".

La risoluzione più elevata consente all'OSC di fornire calci più precisi a gruppi più piccoli di particelle. Gruppi più piccoli di particelle richiedono meno calci per raffreddarsi, proprio come un palloncino piccolo si raffredda più velocemente di uno grande quando viene messo nel congelatore. Ogni particella viene calciata una volta per giro intorno all'acceleratore. Poiché sono necessari meno calci, l'intero raggio si raffredda dopo un minor numero di giri.

In linea di principio, OSC potrebbe accelerare il raffreddamento del fascio di un fattore 10, 000 rispetto al raffreddamento stocastico convenzionale. Il primo esperimento dimostrativo allo IOTA, che utilizza un fascio di elettroni di media energia, ha un obiettivo più modesto. Mentre il raggio circola nell'acceleratore e irradia luce, perde energia, raffreddamento da solo in circa 1 secondo; IOTA cerca una diminuzione di dieci volte in quel tempo di raffreddamento.

Le proposte per l'OSC hanno suscitato l'interesse della comunità degli acceleratori già negli anni '90, ma finora ai ricercatori è sfuggita un'implementazione di successo. Sfruttare lunghezze d'onda della luce più corte solleva una serie di sfide tecniche.

"Le posizioni relative di tutti gli elementi rilevanti devono essere controllate al livello di un quarto di lunghezza d'onda o migliore, " ha detto Valishev. "In aggiunta a questo, devi leggere il pacchetto d'onda dal raggio, e poi devi trasportarlo, amplificalo, e poi applicarlo nuovamente sulla stessa trave. Ancora, tutto deve essere fatto con questa estrema precisione."

IOTA si è rivelato l'acceleratore perfetto per il lavoro. Il fulcro della struttura scientifica e tecnologica dell'acceleratore Fermilab, IOTA ha un design flessibile che consente ai ricercatori di personalizzare i componenti nella linea di luce mentre spingono le frontiere della scienza degli acceleratori.

L'esperimento OSC di IOTA sta iniziando con gli elettroni perché queste particelle leggere possono essere accelerate facilmente ed economicamente alle velocità con cui irradiano luce visibile e infrarossa. Nel futuro, gli scienziati sperano di applicare la tecnica ai protoni. A causa della loro massa maggiore, i protoni devono raggiungere energie più elevate per irradiare la luce desiderata, rendendoli più difficili da gestire.

All'inizio, IOTA studierà il raffreddamento passivo, in cui la luce emessa dal fascio di elettroni non sarà amplificata prima di essere riflessa sul fascio. Dopo che l'approccio semplificato ha avuto successo, il team aggiungerà amplificatori ottici per rafforzare la luce che fornisce i calci correttivi.

Oltre a fornire una nuova tecnologia di raffreddamento per i collisori di particelle ad alta energia, OSC potrebbe migliorare lo studio dell'elettrodinamica fondamentale e delle interazioni tra elettroni e fotoni.

"Il raffreddamento stocastico ottico è una miscela di varie aree della moderna fisica sperimentale, dagli acceleratori e fasci alle ottiche luminose, tutto unito in un unico pacchetto, " Ha detto Valishev. "Ciò rende molto impegnativo e anche molto stimolante lavorare su".