Natuurkundigen houden ervan om deeltjes tegen elkaar te slaan en de resulterende chaos te bestuderen. Daarin schuilt de ontdekking van nieuwe deeltjes en vreemde fysica, gegenereerd voor kleine fracties van een seconde en het herscheppen van omstandigheden die vaak al miljarden jaren niet meer in ons universum zijn gezien. Maar om de magie te laten gebeuren, moeten eerst twee bundels deeltjes botsen.

Onderzoekers van het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben de eerste succesvolle demonstratie aangekondigd van een nieuwe techniek die deeltjesbundels verbetert. Deze demonstratie zou kunnen worden gebruikt in toekomstige deeltjesversnellers om de methode mogelijk te gebruiken om betere, dichtere deeltjesbundels te creëren, het aantal botsingen te vergroten en onderzoekers een betere kans te geven om zeldzame natuurkundige verschijnselen te onderzoeken die ons helpen ons universum te begrijpen. Het team publiceerde zijn bevindingen in een recente editie van Nature .

Deeltjesbundels zijn gemaakt van miljarden deeltjes die samen reizen in groepen die trossen worden genoemd. Door de deeltjes in elke straal te condenseren, zodat ze dicht op elkaar zijn gepakt, is de kans groter dat deeltjes in botsende bundels op elkaar inwerken - op dezelfde manier dat meerdere mensen die tegelijkertijd door een deuropening proberen te komen, elkaar eerder verdringen dan wanneer ze er doorheen lopen een wijd open kamer.

Het samenpakken van deeltjes in een straal vereist iets dat lijkt op wat er gebeurt als je een opgeblazen ballon in een vriezer stopt. Het afkoelen van het gas in de ballon vermindert de willekeurige beweging van de moleculen en zorgt ervoor dat de ballon krimpt. Het "koelen" van een straal vermindert de willekeurige beweging van de deeltjes en maakt de straal smaller en dichter.

Bij Fermilab gebruikten wetenschappers de nieuwste opslagring van het laboratorium, de Integrable Optics Test Accelerator, bekend als IOTA, om een ​​nieuw soort straalkoelingstechnologie te demonstreren en te verkennen met het potentieel om dat koelproces drastisch te versnellen.

"IOTA is gebouwd als een flexibele machine voor onderzoek en ontwikkeling in versnellerwetenschap en -technologie", zegt Jonathan Jarvis, een wetenschapper bij Fermilab. "Dankzij die flexibiliteit kunnen we de opslagring snel opnieuw configureren om ons te concentreren op verschillende mogelijkheden met een grote impact. Dat is precies wat we hebben gedaan met deze nieuwe koeltechniek."

De nieuwe techniek wordt optische stochastische koeling genoemd en dit koelsysteem meet hoe deeltjes in een straal weg bewegen van hun ideale koers met behulp van een speciale configuratie van magneten, lenzen en andere optica om corrigerende duwtjes te geven.

Dit soort koelsysteem meet hoe deeltjes in een straal weg bewegen van hun ideale koers en gebruikt vervolgens een speciale configuratie van magneten, lenzen en andere optica om corrigerende duwtjes te geven. Het werkt vanwege een bijzonder kenmerk van geladen deeltjes zoals elektronen en protonen:terwijl de deeltjes langs een gebogen pad bewegen, stralen ze energie uit in de vorm van lichtpulsen, die informatie geven over de positie en snelheid van elk deeltje in de bundel. Het straalkoelsysteem kan deze informatie verzamelen en een apparaat gebruiken dat een kickermagneet wordt genoemd om ze terug in lijn te krijgen.

Conventionele stochastische koeling, die zijn uitvinder, Simon van der Meer, een deel van de Nobelprijs van 1984 opleverde, werkt door gebruik te maken van licht in het microgolfbereik met golflengten van enkele centimeters. Optische stochastische koeling daarentegen maakt gebruik van zichtbaar en infrarood licht, met golflengten van ongeveer een miljoenste meter. Door de kortere golflengte kunnen wetenschappers de activiteit van de deeltjes nauwkeuriger waarnemen en nauwkeuriger correcties aanbrengen.

Om een ​​deeltjesbundel voor te bereiden op experimenten, sturen versnelleroperators deze op verschillende passen door het koelsysteem. De verbeterde resolutie van optische stochastische koeling zorgt voor preciezere kicks voor kleinere groepen deeltjes, zodat er minder rondjes rond de opslagring nodig zijn. Nu de bundel sneller wordt afgekoeld, kunnen onderzoekers meer tijd besteden aan het gebruiken van die deeltjes om experimentele gegevens te produceren.

De koeling helpt ook de stralen te behouden door voortdurend in de deeltjes te heersen terwijl ze van elkaar afkaatsen. In principe zou optische stochastische koeling de state-of-the-art koelsnelheid met een factor 10.000 kunnen verhogen.

Deze eerste demonstratie bij IOTA maakte gebruik van een elektronenstraal met gemiddelde energie en een configuratie die 'passieve koeling' wordt genoemd, die de lichtpulsen van de deeltjes niet versterkt. Het team heeft het effect met succes waargenomen en bereikte een ongeveer tienvoudige toename van de koelsnelheid in vergelijking met de natuurlijke "stralingsdemping" die de straal ervaart in IOTA. Ze waren ook in staat om te controleren of de straal in één, twee of alle drie de dimensies afkoelt. Ten slotte hebben wetenschappers, naast het koelen van bundels met miljoenen deeltjes, ook experimenten uitgevoerd om de koeling van een enkel elektron dat in de versneller is opgeslagen te bestuderen.

"Het is opwindend omdat dit de eerste koeltechniek is die wordt gedemonstreerd in het optische regime, en dit experiment laat ons de meest essentiële fysica van het koelproces bestuderen," zei Jarvis. "We hebben al veel geleerd en nu kunnen we een nieuwe laag aan het experiment toevoegen die ons aanzienlijk dichter bij echte toepassingen brengt."

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." + Verder verkennen

Next-generation particle beam cooling experiment under way at Fermilab accelerator