Het is geen sinecure om trossen protonen rond een cirkelvormige deeltjesversneller te sturen om elkaar op een specifiek punt te ontmoeten. Veel verschillende onderdelen van de botser werken om de protonenbundels op koers te houden - en om te voorkomen dat ze onhandelbaar worden.

Wetenschappers van Fermilab hebben 20 jaar geleden één nieuwe versnellercomponent uitgevonden en ontwikkeld:de elektronenlens. Elektronenlenzen zijn elektronenbundels die zijn gevormd tot specifieke vormen die de beweging van andere deeltjes - meestal protonen - die er doorheen gaan, wijzigen.

De inmiddels gepensioneerde Tevatron, een circulaire botser bij Fermilab, en de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in het Brookhaven National Laboratory hebben beide geprofiteerd van elektronenlenzen, een concept dat oorspronkelijk bij Fermilab is ontwikkeld.

"Elektronenlenzen zijn als een Zwitsers zakmes voor versnellers:ze zijn relatief eenvoudig en goedkoop, maar ze kunnen op veel verschillende manieren worden toegepast, " zei Alexander Valishev, een Fermilab-wetenschapper die co-auteur was van een recente studie voor een nieuwe toepassing van elektronenlenzen, die van cruciaal belang kunnen zijn voor aanstaande botsers.

De innovatie wordt gedetailleerd beschreven in een artikel gepubliceerd op 27 september in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Deze kleine doorbraak in de fysica van bundels en versnellers is een soort begin van een grotere uitvinding - het is iets nieuws, " zei Vladimir Shiltsev van Fermilab, een auteur van het gepubliceerde artikel. Shiltsev speelde ook een grote rol bij het ontstaan ​​van elektronenlenzen in 1997. "Fermilab staat bekend om uitvindingen en ontwikkelingen die, eerst, spannend, en dan, functioneel. Daar zijn nationale laboratoria voor gebouwd, en dat is wat we hebben bereikt."

Een lens in de toekomst

Dit nieuwe type elektronenlens, de Landau-dempingslens genoemd, zal een cruciaal onderdeel zijn van een groot, prospectief project in deeltjesfysica-onderzoek:de Future Circular Collider bij CERN. De FCC zou de grenzen van het traditionele ontwerp van de botser verleggen om de deeltjesfysica buiten het Higgs-deeltje verder te bestuderen. een fundamenteel deeltje dat pas vijf jaar geleden werd ontdekt.

De voorgestelde FCC moet een machine met hoge helderheid zijn:de deeltjesbundels moeten compact en dicht opeengepakt zijn. Vergeleken met de Large Hadron Collider van CERN, de stralen zullen ook een dramatische toename in energie hebben - 50 biljoen elektronvolt, vergeleken met de straalenergie van de LHC van 7 biljoen elektronvolt. Dat houdt een al even dramatische toename van het gaspedaal in. Met een geplande omtrek van 100 kilometer, de FCC zou de 27 kilometer lange LHC in de schaduw stellen.

Deze energierijke, supercolliders met een hoge helderheid ervaren allemaal een probleem, ongeacht de grootte:een intense straal protonen verpakt in de breedte van mensenhaar die over een lange afstand reist, kan onstabiel worden, vooral als alle protonen op precies dezelfde manier reizen.

In een botser, deeltjes komen aan in pakketten die trossen worden genoemd - ongeveer een meter lange stromen vol met honderden miljarden deeltjes. Een deeltjesbundel wordt gevormd uit tientallen, honderden of duizenden van deze bossen.

Stel je een circulaire botser voor als een smal circuit, met protonen in een bos als een strak pak raceauto's. Er verschijnt plotseling een stuk puin in het midden van de baan, doorstroming van het verkeer te verstoren. Als elke auto op dezelfde manier reageert, zeggen, door scherp naar links af te buigen, het kan leiden tot een grote stapeling.

Binnen de botser, het is niet een kwestie van het vermijden van slechts één hobbel op de baan, maar zich aanpassen aan tal van dynamische obstakels, waardoor de protonen vele malen van koers veranderen. Als een anomalie, zoals een knik in het magnetische veld van de versneller, gebeurt onverwacht, en als de protonen in de bundel er allemaal op dezelfde manier op hetzelfde moment op reageren, zelfs een kleine koerswijziging kan al snel uit de hand lopen.

Men zou het probleem kunnen vermijden door de deeltjesbundel vanaf het begin te verdunnen. Door gebruik te maken van protonenbundels met een lagere dichtheid, je geeft protonen minder kans om uit koers te raken. Maar dat zou betekenen dat we protonen moeten verwijderen en zo potentieel voor wetenschappelijke ontdekking mislopen.

Een ander, een betere manier om het probleem aan te pakken is om verschillen in de bundel aan te brengen, zodat niet alle protonen in de bundels zich op dezelfde manier gedragen.

Om terug te keren naar het circuit:als de coureurs allemaal op een andere manier op het stuk puin reageren — sommigen bewegen iets naar rechts, anderen iets naar links, een dappere coureur springt gewoon over de top - de auto's kunnen allemaal weer samensmelten en de race voortzetten, geen ongelukken.

Het creëren van differentiaties binnen een protonenbundel zou in wezen hetzelfde doen. Elk proton volgt zijn eigen, steeds iets andere koers rond de botser. Op deze manier, elke afwijking van de cursus is geïsoleerd, in plaats van verergerd door protonen die zich allemaal misdragen, het minimaliseren van schadelijke straaloscillaties.

"Deeltjes in het midden van de bos zullen anders bewegen dan deeltjes aan de buitenkant, "Zei Shiltsev. "De protonen zullen allemaal een beetje in de war zijn, maar dat is wat we willen. Als ze allemaal samen verhuizen, ze worden onstabiel."

Deze verschillen worden meestal gemaakt met een speciaal type magneet, octupolen genaamd. de Tevatron, vóór de ontmanteling in 2011, had 35 achtpoolmagneten, en de LHC heeft er nu 336.

Maar naarmate botsers groter worden en meer energie bereiken, ze hebben exponentieel meer magneten nodig:de FCC heeft meer dan 10 nodig, 000 achtpoolmagneten, elk een meter lang, om dezelfde bundelstabiliserende resultaten te bereiken als eerdere botsers.

Zoveel magneten nemen veel ruimte in beslag:maar liefst 10 van de 100 kilometer van de FCC.

"Dat lijkt me belachelijk, "Zei Shiltsev. "We zoeken naar een manier om dat te vermijden."

De wetenschappelijke gemeenschap erkent de Landau dempende niet-lineaire lens als een waarschijnlijke oplossing voor dit probleem:een enkele één meter lange elektronenlens zou alle 10, 000 achtpoolmagneten en doen mogelijk beter hun werk door de stralen stabiel te houden terwijl ze naar een botsing toesnellen, zonder nieuwe problemen te introduceren.

"Bij CERN hebben ze het idee van dit nieuwe type elektronenlens omarmd, en mensen daar zullen ze nader bestuderen voor de FCC, " zei Valishev. "Gezien wat we tot nu toe weten over de problemen waarmee de toekomstige botsers zullen worden geconfronteerd, dit zou een apparaat zijn met een extreem hoge kriticiteit. Daarom zijn we enthousiast."

Electron Lego

De Landau-dempingslens voegt zich bij twee andere typen elektronenlens in het repertoire van hulpmiddelen die natuurkundigen hebben om bundels in een versneller te wijzigen of te regelen.

"Na jarenlang gebruik mensen zijn erg blij met elektronenlenzen:het is een van de instrumenten die worden gebruikt voor moderne versnellers, zoals magneten of supergeleidende holtes, "Zei Shiltsev. "Elektronenlenzen zijn slechts een van de bouwstenen of Lego-stukken."

Elektronenlenzen lijken veel op Lego:Lego-stukken zijn gemaakt van hetzelfde materiaal en kunnen dezelfde kleur hebben, maar een andere vorm bepaalt hoe ze gebruikt kunnen worden. Elektronenlenzen zijn allemaal gemaakt van wolken van elektronen, gevormd door magnetische velden. De vorm van de lens bepaalt hoe de lens een bundel protonen beïnvloedt.

Wetenschappers ontwikkelden de eerste elektronenlens in Fermilab in 1997 voor gebruik ter compensatie van zogenaamde bundelstraaleffecten in de Tevatron, en een soortgelijk type elektronenlens is nog steeds in gebruik bij de Brookhaven's RHIC.

In cirkelbotsers, deeltjesbundels passeren elkaar, in tegengestelde richtingen in de botser gaan totdat ze op specifieke punten in een botsing worden gestuurd. Terwijl de stralen door elkaar zoemen, ze oefenen een kleine kracht op elkaar uit, waardoor de protonenbundels iets uitzetten, hun helderheid verminderen.

Die eerste elektronenlens, de bundel-bundelcompensatielens genoemd, is gemaakt om de interactie tussen de balken te bestrijden door ze terug te knijpen tot hun origineel, compacte staat.

Na het succes van dit type elektronenlens in de Tevatron, wetenschappers realiseerden zich dat elektronenstralen op een tweede manier konden worden gevormd om een ​​ander type elektronenlens te creëren.

Wetenschappers ontwierpen de tweede lens in de vorm van een rietje, waardoor de protonenbundel onaangetast door de binnenkant kan gaan. Af en toe kan een proton proberen zijn groep te verlaten en van het midden van de straal af te dwalen. In de LHC, zelfs een duizendste van het totale aantal protonen op een ongecontroleerde manier verliezen kan gevaarlijk zijn. De elektronenlens werkt als een schraper, het verwijderen van deze malafide deeltjes voordat ze de versneller kunnen beschadigen.

"Het is uiterst belangrijk om deze deeltjes te kunnen schrapen, omdat hun energie enorm is, ' zei Shiltsev. 'Ongecontroleerd, ze kunnen gaten boren, magneten breken of straling produceren."

Beide typen elektronenlenzen hebben hun stempel gedrukt op het ontwerp van de botser als onderdeel van het succes van de Tevatron, RHIC en de LHC. De nieuwe Landau-dempingslens kan helpen de volgende generatie botsers in te luiden.

"De elektronenlens is een voorbeeld van iets dat 20 jaar geleden hier bij Fermilab is uitgevonden, Shiltsev zei. "Dit is een van de zeldzame technologieën die niet alleen bij Fermilab tot in de perfectie werd gebracht:het werd uitgevonden, ontwikkeld en geperfectioneerd en blijft schitteren."