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费米实验室加速器正在进行下一代粒子束冷却实验

加速器 粒子束 费米实验室
发布:2021-01-08 17:17:18    

在研究人员可以将粒子束粉碎在一起以研究高能粒子相互作用之前,他们需要在粒子加速器中创建这些光束。而且粒子在光束中的堆积越紧密,科学家发现稀有物理现象的机会就越大。

使粒子束更密集或更明亮类似于将膨胀的气球粘贴在冰箱中。正如减少气球内部气体分子的随机运动会导致气球收缩一样,减少光束中粒子的随机运动也会使光束更密集。但是,物理学家并没有为粒子以接近光速运动的方式使用冷冻器-因此他们想出了其他巧妙的方法来冷却光束。

Fermilab的“可集成光学测试加速器”正在进行的一项实验试图成为第一个演示光学随机冷却的技术,这项新的光束冷却技术具有显着加快冷却过程的潜力。如果成功的话,该技术将使未来的实验能够产生更明亮的带电粒子束,并研究以前无法接近的物理学。

 
Fermilab的光学随机冷却实验目前正在40米周长的Integrable Optics Test Accelerator上进行,这是一种通用的粒子存储环,旨在追求加速器科学方面的创新。照片:费米实验室(Fermilab)Giulio Stancari

费米实验室科学家亚历山大·瓦利舍夫(Alexander Valishev)表示:“能量范围很广-大约10至1,000 GeV-目前没有冷却质子的技术,因此现在可以应用光学随机冷却。”设计并建造了IOTA。“但是,如果我们开发它,那么我相信还会有其他应用程序。”

一月份,IOTA的OSC实验开始获取数据。IOTA得到美国能源部科学办公室的支持。

OSC的工作原理与常规随机冷却相同,该技术由Simon Van der Meer开发,并由Carlo Rubbia利用,用于1983年发现W和Z玻色子。范德米尔(Van der Meer)和鲁比亚(Rubbia)的研究成果赢得了1984年诺贝尔物理学奖,此后已在许多粒子加速器中得到应用。

随机冷却提供了一种方法来测量光束中的粒子如何远离所需轨迹,并应用校正以将它们靠近在一起,从而使光束更密集。该技术取决于带电粒子与其发射的电磁辐射之间的相互作用。

当带电粒子(例如电子或质子)以弯曲路径移动时,它们以光的形式辐射能量,加速器中的拾波器会检测到该能量。每个光信号包含有关数百万或数十亿个粒子的“束”的平均位置和速度的信息。

然后,称为踢脚的电磁设备将相同的信号施加到束上,以纠正任何杂散运动,例如足球运动员踢球以将球保持在范围之内。每次踢都会使平均粒子位置和速度更接近所需值,但单个粒子仍会漂移。为了校正单个粒子的运动并创建密集的光束,该过程必须在光束在加速器中循环时重复数千次。


 此处带有Scanditronix徽标的两个组件是IOTA光学随机冷却实验的核心。拾取器(左)测量粒子束的散布,然后踢腿(右)校正粒子的杂散运动。照片:费米实验室(Fermilab)乔纳森·贾维斯(Jonathan Jarvis)

传统的随机冷却使用的是微波范围内的电磁信号,其波长为厘米长。OSC使用可见光和红外光,其波长约为一微米-一米的百万分之一。

瓦利舍夫说:“规模是由波长决定的。” “较短的波长意味着我们可以以更高的分辨率和更好的精确校正来读取光束信息。”

更高的分辨率可使OSC对较小的粒子组提供更精确的反冲。较小的一组粒子需要较少的踢动才能冷却,就像将微型气球放入冰柜中时,其冷却速度要快于大气球。每个粒子在加速器周围每圈被踢一次。由于需要的脚踢次数较少,因此整个光束在经过较少的圈数后就会冷却。

原则上,与传统的随机冷却相比,OSC可以将光束冷却速度提高10,000倍。IOTA的第一个演示实验使用的是中等能量的电子束,其目标更为温和。当光束在加速器中循环并辐射光时,它会失去能量,并在大约1秒钟内自行冷却;IOTA希望将冷却时间减少十倍。

关于OSC的提案早在1990年代就激起了加速器界的兴趣,但到目前为止,成功的实施还没有引起研究人员的重视。利用较短波长的光提出了许多技术挑战。

瓦利舍夫说:“所有相关元件的相对位置都需要控制在四分之一波长或更高的波长水平上。” “除此之外,您还必须读取光束中的波包,然后必须将其传输,放大,然后再将其应用到同一条光束上。同样,一切都必须以极高的精度完成。”

IOTA被证明是完成这项工作的理想加速器。IOTA是费米实验室加速器科学技术设施的核心,其灵活的设计使研究人员可以在推动加速器科学前沿的同时调整束线中的组件。

IOTA的OSC实验是从电子开始的,因为这些轻质粒子可以轻松,廉价地加速到它们发出可见光和红外光的速度。将来,科学家希望将该技术应用于质子。由于它们的质量较大,质子必须达到更高的能量以辐射所需的光,从而使其更难处理。

IOTA首先将研究被动冷却,在这种冷却中,电子束发射的光在被反射回电子束之前不会被放大。在简化方法成功之后,该团队将添加光放大器以增强提供矫正踢的光。

除了为高能粒子对撞机提供新的冷却技术外,OSC还可以加强对基本电动力学以及电子与光子之间相互作用的研究。

瓦利舍夫说:“光学随机冷却是现代实验物理学各个领域的融合,从加速器,光束到光学器件,都融合在一起。” “这使工作变得非常具有挑战性,也非常令人振奋。”

科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者,并且正在努力应对当今时代最紧迫的挑战。

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