Physiker lieben es, Teilchen zusammenzuschlagen und das entstehende Chaos zu untersuchen. Darin liegt die Entdeckung neuer Teilchen und seltsamer Physik, die für winzige Sekundenbruchteile erzeugt werden und Bedingungen wiederherstellen, die in unserem Universum oft seit Milliarden von Jahren nicht mehr gesehen wurden. Aber damit die Magie geschehen kann, müssen zuerst zwei Teilchenstrahlen kollidieren.
Forscher des Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums haben die erste erfolgreiche Demonstration einer neuen Technik zur Verbesserung von Teilchenstrahlen angekündigt. Diese Demonstration könnte in zukünftigen Teilchenbeschleunigern verwendet werden, um die Methode möglicherweise zur Erzeugung besserer, dichterer Teilchenstrahlen zu verwenden, die Anzahl der Kollisionen zu erhöhen und Forschern eine bessere Chance zu geben, seltene physikalische Phänomene zu erforschen, die uns helfen, unser Universum zu verstehen. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in einer kürzlich erschienenen Ausgabe von Natur.
Teilchenstrahlen bestehen aus Milliarden von Teilchen, die sich gemeinsam in Gruppen bewegen, die Bündel genannt werden. Die Verdichtung der Partikel in jedem Strahl, sodass sie dicht aneinander gepackt sind, macht es wahrscheinlicher, dass Partikel in kollidierenden Bündeln interagieren – auf die gleiche Weise, wie mehrere Personen, die gleichzeitig versuchen, durch eine Tür zu gelangen, sich eher gegenseitig anrempeln, als wenn sie hindurchgehen ein weit offener Raum.
Das Zusammenpacken von Partikeln in einem Strahl erfordert etwas Ähnliches, was passiert, wenn Sie einen aufgeblasenen Ballon in einen Gefrierschrank legen. Das Abkühlen des Gases im Ballon reduziert die zufällige Bewegung der Moleküle und bewirkt, dass der Ballon schrumpft. Das „Kühlen“ eines Strahls reduziert die zufällige Bewegung der Partikel und macht den Strahl schmaler und dichter.
Am Fermilab nutzten Wissenschaftler den neuesten Speicherring des Labors, den Integrable Optics Test Accelerator, bekannt als IOTA, um eine neue Art von Strahlkühlungstechnologie zu demonstrieren und zu erforschen, die das Potenzial hat, diesen Kühlprozess dramatisch zu beschleunigen.
„IOTA wurde als flexible Maschine für Forschung und Entwicklung in der Beschleunigerwissenschaft und -technologie gebaut“, sagte Jonathan Jarvis, Wissenschaftler bei Fermilab. „Dank dieser Flexibilität können wir den Speicherring schnell neu konfigurieren, um uns auf verschiedene Möglichkeiten mit hoher Wirkung zu konzentrieren. Genau das haben wir mit dieser neuen Kühltechnik erreicht.“
Die neue Technik wird als optische stochastische Kühlung bezeichnet und dieses Kühlsystem misst, wie sich Partikel in einem Strahl von ihrer idealen Bahn entfernen, indem es eine spezielle Konfiguration von Magneten, Linsen und anderen Optiken verwendet, um korrigierende Anstöße zu geben.
Diese Art von Kühlsystem misst, wie sich Partikel in einem Strahl von ihrem idealen Kurs entfernen, und verwendet dann eine spezielle Konfiguration von Magneten, Linsen und anderen Optiken, um korrigierende Anstöße zu geben. Es funktioniert aufgrund einer besonderen Eigenschaft geladener Teilchen wie Elektronen und Protonen: Wenn sich die Teilchen entlang einer gekrümmten Bahn bewegen, strahlen sie Energie in Form von Lichtimpulsen ab, die Informationen über die Position und Geschwindigkeit jedes Teilchens im Bündel liefern. Das Strahlkühlsystem kann diese Informationen sammeln und sie mithilfe eines sogenannten Kicker-Magneten wieder in die richtige Position bringen.
Konventionelle stochastische Kühlung, die ihrem Erfinder Simon van der Meer 1984 einen Anteil am Nobelpreis einbrachte, arbeitet mit Licht im Mikrowellenbereich mit Wellenlängen von mehreren Zentimetern. Im Gegensatz dazu verwendet die optische stochastische Kühlung sichtbares und infrarotes Licht, die Wellenlängen von etwa einem Millionstel Meter haben. Die kürzere Wellenlänge bedeutet, dass Wissenschaftler die Aktivität der Partikel genauer erfassen und genauere Korrekturen vornehmen können.
Um einen Teilchenstrahl für Experimente vorzubereiten, schicken Beschleunigerbetreiber ihn auf mehreren Durchgängen durch das Kühlsystem. Die verbesserte Auflösung der optischen stochastischen Kühlung sorgt für exaktere Kicks für kleinere Partikelgruppen, sodass weniger Runden um den Speicherring benötigt werden. Da der Strahl schneller gekühlt wird, können Forscher mehr Zeit damit verbringen, diese Partikel zu verwenden, um experimentelle Daten zu erzeugen.
Die Kühlung trägt auch dazu bei, die Strahlen zu schonen, indem sie die Partikel kontinuierlich regiert, wenn sie voneinander abprallen. Im Prinzip könnte die optische stochastische Kühlung die Kühlrate nach dem Stand der Technik um bis zu einen Faktor 10.000 verbessern.
Diese erste Demonstration bei IOTA verwendete einen Elektronenstrahl mittlerer Energie und eine Konfiguration namens „passive Kühlung“, die die Lichtimpulse von den Partikeln nicht verstärkt. Das Team beobachtete erfolgreich den Effekt und erreichte eine etwa zehnfache Steigerung der Abkühlungsrate im Vergleich zur natürlichen „Strahlungsdämpfung“, die der Strahl in IOTA erfährt. Sie konnten auch steuern, ob der Strahl in einer, zwei oder allen drei Dimensionen abkühlt. Schließlich führten die Wissenschaftler neben Kühlstrahlen mit Millionen von Teilchen auch Experimente durch, bei denen die Abkühlung eines einzelnen im Beschleuniger gespeicherten Elektrons untersucht wurde.
„Es ist aufregend, weil dies die erste Kühltechnik ist, die im optischen Regime demonstriert wird, und dieses Experiment uns die grundlegendste Physik des Kühlprozesses untersuchen ließ“, sagte Jarvis. „Wir haben schon viel gelernt, und jetzt können wir dem Experiment eine weitere Ebene hinzufügen, die uns der realen Anwendung deutlich näher bringt.“
Nach Abschluss des ersten Experiments entwickelt das Wissenschaftsteam bei IOTA ein verbessertes System, das der Schlüssel zum Fortschritt der Technologie sein wird. Es wird einen optischen Verstärker verwenden, um das Licht von jedem Partikel um etwa den Faktor 1.000 zu verstärken, und maschinelles Lernen anwenden, um das System flexibler zu machen.
„Letztendlich werden wir verschiedene Möglichkeiten untersuchen, diese neue Technik in Teilchenbeschleunigern und darüber hinaus anzuwenden“, sagte Jarvis. „Wir finden es sehr cool.“
Jonathan Jarvis, Experimentelle Demonstration optischer stochastischer Kühlung, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04969-7. www.nature.com/articles/s41586-022-04969-7