Voordat onderzoekers bundels deeltjes tegen elkaar kunnen slaan om hoogenergetische deeltjesinteracties te bestuderen, ze moeten die bundels creëren in deeltjesversnellers. En hoe dichter de deeltjes in de balken zijn verpakt, de betere kansen van wetenschappers om zeldzame natuurkundige verschijnselen te spotten.

Het dichter of helderder maken van een deeltjesbundel is vergelijkbaar met het in de vriezer steken van een opgeblazen ballon. Net zoals het verminderen van de willekeurige beweging van de gasmoleculen in de ballon ervoor zorgt dat de ballon krimpt, het verminderen van de willekeurige beweging van de deeltjes in een straal maakt de straal dichter. Maar natuurkundigen hebben geen vriezers voor deeltjes die met de snelheid van het licht bewegen, dus bedenken ze andere slimme manieren om de straal af te koelen.

Een experiment aan de gang bij Fermilab's Integrable Optics Test Accelerator wil de eerste zijn die optische stochastische koeling demonstreert, een nieuwe straalkoelingstechnologie die het potentieel heeft om het koelproces drastisch te versnellen. Indien succesvol, de techniek zou toekomstige experimenten mogelijk maken om helderdere stralen van geladen deeltjes te genereren en voorheen ontoegankelijke fysica te bestuderen.

"Er is dit bereik van energieën - ongeveer 10 tot 1, 000 GeV— waar momenteel geen technologie bestaat voor het koelen van protonen, en daar zou op dit moment optische stochastische koeling kunnen worden toegepast, " zei Fermilab-wetenschapper Alexander Valishev, de leider van het team dat IOTA heeft ontworpen en gebouwd. "Maar als we het ontwikkelen, dan weet ik zeker dat er nog andere toepassingen komen."

In januari, IOTA's OSC-experiment begon met het verzamelen van gegevens. IOTA wordt ondersteund door het Amerikaanse Department of Energy Office of Science.

OSC werkt volgens hetzelfde principe als conventionele stochastische koeling, een technologie ontwikkeld door Simon van der Meer en gebruikt door Carlo Rubbia voor de ontdekking van de W- en Z-bosonen in 1983. Van der Meer en Rubbia wonnen in 1984 de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun werk, die sindsdien gebruik heeft gevonden in veel deeltjesversnellers.

Stochastische koeling biedt een manier om te meten hoe de deeltjes in een straal zich van het gewenste traject af bewegen en correcties toe te passen om ze dichter bij elkaar te brengen, waardoor de bundel dichter wordt. De techniek hangt af van het samenspel tussen geladen deeltjes en de elektromagnetische straling die ze uitzenden.

Omdat geladen deeltjes zoals elektronen of protonen in een gekromd pad bewegen, ze stralen energie uit in de vorm van licht, die een pick-up in het gaspedaal detecteert. Elk lichtsignaal bevat informatie over de gemiddelde positie en snelheid van een "bos" van miljoenen of miljarden deeltjes.

Dan past een elektromagneet, een kicker genaamd, hetzelfde signaal terug op het stel om elke verdwaalde beweging te corrigeren, als een voetballer die tegen een bal trapt om hem binnen de perken te houden. Elke kick brengt de gemiddelde deeltjespositie en -snelheid dichter bij de gewenste waarde, maar individuele deeltjes kunnen nog steeds wegdrijven. Om de beweging van individuele deeltjes te corrigeren en een dichte straal te creëren, het proces moet vele duizenden keren worden herhaald terwijl de straal in de versneller circuleert.

Traditionele stochastische koeling maakt gebruik van elektromagnetische signalen in het microgolfbereik, met centimeter lange golflengten. OSC maakt gebruik van zichtbaar en infrarood licht, met golflengten rond een micron - een miljoenste van een meter.

"De schaal wordt bepaald door de golflengte, "Zei Valishev. "De kortere golflengten betekenen dat we de straalinformatie kunnen lezen met een hogere resolutie en betere precieze correcties."

Door de hogere resolutie kan OSC preciezere kicks geven aan kleinere groepen deeltjes. Kleinere groepen deeltjes hebben minder trappen nodig om af te koelen, net zoals een kleine ballon sneller afkoelt dan een grote in de vriezer. Elk deeltje wordt eenmaal per ronde rond het gaspedaal getrapt. Omdat er minder trappen nodig zijn, de hele balk koelt af na minder ronden.

In principe, OSC zou de bundelkoeling met een factor 10 kunnen versnellen, 000 vergeleken met conventionele stochastische koeling. Het eerste demonstratie-experiment bij IOTA, die een elektronenbundel met gemiddelde energie gebruikt, heeft een bescheidener doel. Terwijl de straal in de versneller circuleert en licht uitstraalt, het verliest energie, uit zichzelf afkoelen in ongeveer 1 seconde; IOTA streeft naar een vertienvoudiging van die afkoeltijd.

Voorstellen voor OSC wekten al in de jaren negentig de interesse van de acceleratorgemeenschap, maar tot nu toe is een succesvolle implementatie onderzoekers ontgaan. Het benutten van kortere golflengten van licht brengt een groot aantal technische uitdagingen met zich mee.

"De relatieve posities van alle relevante elementen moeten worden gecontroleerd op het niveau van een kwart golflengte of beter, "Zei Valishev. "Bovendien, je moet het golfpakket van de straal aflezen, en dan moet je het vervoeren, versterken, en breng het dan weer aan op dezelfde balk. Opnieuw, alles moet met deze uiterste precisie gebeuren."

IOTA bleek de perfecte accelerator voor de klus. Het middelpunt van de Fermilab Accelerator Science and Technology-faciliteit, IOTA heeft een flexibel ontwerp waarmee onderzoekers de componenten in de bundellijn kunnen aanpassen terwijl ze de grenzen van de versnellerwetenschap verleggen.

Het OSC-experiment van IOTA begint met elektronen omdat deze lichtgewicht deeltjes gemakkelijk en goedkoop kunnen worden versneld tot de snelheden waarmee ze zichtbaar en infrarood licht uitstralen. In de toekomst, wetenschappers hopen de techniek toe te passen op protonen. Door hun grotere massa, protonen moeten hogere energieën bereiken om het gewenste licht uit te stralen, waardoor ze moeilijker te hanteren zijn.

Aanvankelijk, IOTA gaat passieve koeling bestuderen, waarin het door de elektronenbundel uitgezonden licht niet zal worden versterkt voordat het op de bundel wordt teruggestraald. Nadat die vereenvoudigde aanpak slaagt, het team zal optische versterkers toevoegen om het licht te versterken dat de corrigerende kicks geeft.

Naast het leveren van een nieuwe koeltechnologie voor hoogenergetische deeltjesversnellers, OSC zou de studie van fundamentele elektrodynamica en interacties tussen elektronen en fotonen kunnen verbeteren.

"Optische stochastische koeling is een mix van verschillende gebieden van moderne experimentele fysica, van versnellers en bundels tot lichtoptiek, allemaal samengevoegd in één pakket, "Dat maakt het heel uitdagend en ook heel stimulerend om aan te werken", aldus Valishev.