Ciascuna delle particelle del raggio emette impulsi luminosi ultraveloci mentre attraversa uno speciale magnete chiamato ondulatore pickup (in basso a destra). Le informazioni sull'energia o sull'errore di traiettoria di ciascuna particella sono codificate nel suo impulso luminoso. Gli impulsi di luce vengono catturati, focalizzati e sintonizzati da varie ottiche luminose. Le particelle interagiscono quindi con i propri impulsi all'interno di un identico ondulatore kicker (centro). L'interazione può essere utilizzata per raffreddare le particelle o addirittura controllarle, a seconda della configurazione del sistema. Credito:Jonathan Jarvis, Fermilab
I fisici adorano mettere insieme le particelle e studiare il caos che ne risulta. Qui sta la scoperta di nuove particelle e una strana fisica, generate per minuscole frazioni di secondo e che ricreano condizioni che spesso non si vedono nel nostro universo da miliardi di anni. Ma affinché la magia avvenga, due fasci di particelle devono prima scontrarsi.
I ricercatori del Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno annunciato la prima dimostrazione di successo di una nuova tecnica che migliora i fasci di particelle. Questa dimostrazione potrebbe essere utilizzata nei futuri acceleratori di particelle per utilizzare potenzialmente il metodo per creare fasci di particelle migliori e più densi, aumentando il numero di collisioni e offrendo ai ricercatori una migliore possibilità di esplorare rari fenomeni fisici che ci aiutano a comprendere il nostro universo. Il team ha pubblicato i suoi risultati in una recente edizione di Nature .
I fasci di particelle sono costituiti da miliardi di particelle che viaggiano insieme in gruppi chiamati grappoli. Condensare le particelle in ciascun raggio in modo che siano ammassate strettamente insieme rende più probabile l'interazione delle particelle nei grappoli in collisione, allo stesso modo in cui più persone che cercano di attraversare una porta contemporaneamente hanno maggiori probabilità di urtarsi l'una con l'altra rispetto a quando camminano attraverso una stanza spalancata.
L'imballaggio delle particelle insieme in un raggio richiede qualcosa di simile a ciò che accade quando metti un palloncino gonfiato in un congelatore. Il raffreddamento del gas nel palloncino riduce il movimento casuale delle molecole e fa restringere il palloncino. Il "raffreddamento" di un raggio riduce il movimento casuale delle particelle e rende il raggio più stretto e denso.
Al Fermilab, gli scienziati hanno utilizzato l'ultimo anello di storage del laboratorio, l'Integrable Optics Test Accelerator, noto come IOTA, per dimostrare ed esplorare un nuovo tipo di tecnologia di raffreddamento del fascio con il potenziale per accelerare notevolmente il processo di raffreddamento.
"IOTA è stato costruito come una macchina flessibile per la ricerca e lo sviluppo nella scienza e nella tecnologia degli acceleratori", ha affermato Jonathan Jarvis, scienziato del Fermilab. "Questa flessibilità ci consente di riconfigurare rapidamente l'anello di storage per concentrarci su diverse opportunità ad alto impatto. Questo è esattamente ciò che abbiamo fatto con questa nuova tecnica di raffreddamento".
L'apparato di raffreddamento ottico stocastico occupa l'intera lunghezza di 6 metri del lungo rettilineo sperimentale di IOTA. Progettato e realizzato dal team IOTA/FAST e dai partner del settore, il sistema è stato recentemente utilizzato per realizzare la prima dimostrazione mondiale di OSC. Credito:Jonathan Jarvis, Fermilab
La nuova tecnica è chiamata raffreddamento stocastico ottico e questo sistema di raffreddamento misura come le particelle in un raggio si allontanano dal loro percorso ideale utilizzando una configurazione speciale di magneti, lenti e altre ottiche per fornire spinte correttive.
Questo tipo di sistema di raffreddamento misura come le particelle in un raggio si allontanano dal loro percorso ideale e quindi utilizza una configurazione speciale di magneti, lenti e altre ottiche per fornire spinte correttive. Funziona a causa di una caratteristica particolare delle particelle cariche come elettroni e protoni:mentre le particelle si muovono lungo un percorso curvo, irradiano energia sotto forma di impulsi di luce, fornendo informazioni sulla posizione e la velocità di ciascuna particella nel gruppo. Il sistema di raffreddamento del raggio può raccogliere queste informazioni e utilizzare un dispositivo chiamato magnete kicker per riportarle in linea.
Il raffreddamento stocastico convenzionale, che è valso al suo inventore, Simon van der Meer, una quota del Premio Nobel 1984, funziona utilizzando la luce nella gamma delle microonde con lunghezze d'onda di diversi centimetri. Al contrario, il raffreddamento stocastico ottico utilizza la luce visibile e quella infrarossa, che hanno lunghezze d'onda di circa un milionesimo di metro. La lunghezza d'onda più corta significa che gli scienziati possono percepire l'attività delle particelle in modo più preciso e apportare correzioni più accurate.
Per preparare un fascio di particelle per gli esperimenti, gli operatori dell'acceleratore lo inviano in diversi passaggi attraverso il sistema di raffreddamento. La risoluzione migliorata del raffreddamento stocastico ottico fornisce calci più esatti a gruppi più piccoli di particelle, quindi sono necessari meno giri attorno all'anello di stoccaggio. Con il raggio raffreddato più rapidamente, i ricercatori possono dedicare più tempo a utilizzare quelle particelle per produrre dati sperimentali.
Il raffreddamento aiuta anche a preservare i raggi regnando continuamente nelle particelle mentre rimbalzano l'una sull'altra. In linea di principio, il raffreddamento stocastico ottico potrebbe aumentare la velocità di raffreddamento all'avanguardia fino a un fattore 10.000.
Questa prima dimostrazione allo IOTA ha utilizzato un fascio di elettroni di media energia e una configurazione chiamata "raffreddamento passivo", che non amplifica gli impulsi luminosi delle particelle. Il team ha osservato con successo l'effetto e ha ottenuto un aumento di circa dieci volte della velocità di raffreddamento rispetto allo "smorzamento delle radiazioni" naturale che il raggio sperimenta in IOTA. Sono stati anche in grado di controllare se il raggio si raffredda in una, due o tutte e tre le dimensioni. Infine, oltre a raffreddare i fasci con milioni di particelle, gli scienziati hanno anche condotto esperimenti per studiare il raffreddamento di un singolo elettrone immagazzinato nell'acceleratore.
"È eccitante perché questa è la prima tecnica di raffreddamento dimostrata in regime ottico e questo esperimento ci ha permesso di studiare al meglio la fisica essenziale del processo di raffreddamento", ha detto 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."
A view looking downstream through the beam pipe of the IOTA ring. The optical stochastic cooling experiment occupies one of the straight sections of the IOTA ring and cools the stored beam, similar to the way radio-frequency stochastic cooling cooled antiprotons in the Recycler during the Tevatron era. Credit:Jamie Santucci, Fermilab
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." + Esplora ulteriormente
