L'intensità rilevata da due sorgenti luminose puntiformi coerenti dipende dalle loro posizioni relative. È un fenomeno ben noto chiamato interferenza ottica. Generalmente, l'intensità può variare da zero (interferenza distruttiva) a un valore massimo (interferenza costruttiva).

Consideriamo due elettroni ad alta energia che circolano in un anello di immagazzinamento di particelle, come l'Integrable Optics Test Accelerator del Fermilab. Come si scoprì nel 1947, quando gli elettroni ad alta energia sono costretti a viaggiare in un percorso curvo, emettono luce, nota come radiazione di sincrotrone. Se registriamo l'intensità della luce di sincrotrone rilevata ad ogni rivoluzione in un anello di immagazzinamento, osserveremo lievi fluttuazioni della sua grandezza da una svolta all'altra perché le posizioni relative dei due elettroni cambiano.

L'anello di archiviazione IOTA, ospitato dal Fermilab del Dipartimento dell'Energia, può immagazzinare un miliardo di elettroni. Proprio come nel caso a due elettroni, le fluttuazioni da turno a turno dell'intensità di radiazione del miliardo di elettroni esistono ancora, e per gli stessi motivi. Le fluttuazioni sono molto piccole, inferiore allo 0,1% (root-mean-square). Ancora, il nostro gruppo di ricerca è stato in grado di misurarli, e abbiamo dimostrato che queste informazioni possono essere utilizzate per ottenere informazioni sulle proprietà del fascio di elettroni, come le sue dimensioni e divergenza, una misura della diffusione nelle direzioni di movimento degli elettroni nel raggio.

Le misurazioni della prova di principio in IOTA sono state eseguite nell'intervallo dello spettro della luce di sincrotrone del vicino infrarosso. La sensibilità di questo metodo non invasivo per determinare le proprietà del fascio di elettroni migliora quando viene utilizzata luce di sincrotrone di lunghezza d'onda più corta e luminosità più elevata. Ciò significa che può avvantaggiare in particolare le sorgenti di luce ultravioletta e di sincrotrone di raggi X e ultravioletti a bassa emissione ad alta luminosità esistenti e di nuova generazione, dove la caratterizzazione non invasiva del fascio di elettroni è difficile.

Ad esempio, pensiamo che questo metodo possa misurare le dimensioni del fascio trasversale dell'ordine di 10 micron nell'Advanced Photon Source Upgrade presso l'Argonne National Laboratory, utilizzando le fluttuazioni turn-to-turn nella luce di sincrotrone a raggi X. Questo è un passo importante nella creazione di fasci di elettroni più stretti, che a loro volta generano raggi X più luminosi. Con raggi X più luminosi, i ricercatori potranno accelerare la ricerca in chimica, scienza e medicina dei materiali, compresa la ricerca sul COVID-19.

Un articolo su questo risultato sarà pubblicato in Lettere di revisione fisica . Un documento complementare ampliato sarà pubblicato in Acceleratori e fasci di revisione fisica . I documenti corrispondenti "Misurazione dell'emittanza del fascio trasversale mediante rumore di potenza di radiazione dell'ondulatore" e "Misure del rumore di potenza di radiazione dell'ondulatore e confronto con calcoli ab initio" sono stati pubblicati su arXiv.