Les physiciens adorent fracasser des particules ensemble et étudier le chaos qui en résulte. C’est là que réside la découverte de nouvelles particules et d’une physique étrange, générées pendant de minuscules fractions de seconde et recréant des conditions souvent inconnues dans notre univers depuis des milliards d’années. Mais pour que la magie opère, deux faisceaux de particules doivent d’abord entrer en collision.
Des chercheurs du Fermi National Accelerator Laboratory du département américain de l’Énergie ont annoncé la première démonstration réussie d’une nouvelle technique qui améliore les faisceaux de particules. Cette démonstration pourrait être utilisée dans les futurs accélérateurs de particules pour utiliser potentiellement la méthode pour créer de meilleurs faisceaux de particules plus denses, augmentant le nombre de collisions et donnant aux chercheurs une meilleure chance d’explorer des phénomènes physiques rares qui nous aident à comprendre notre univers. L’équipe a publié ses conclusions dans une récente édition de La nature.
Les faisceaux de particules sont constitués de milliards de particules voyageant ensemble en groupes appelés paquets. Condenser les particules dans chaque faisceau de manière à ce qu’elles soient rapprochées rend plus probable l’interaction des particules dans les paquets en collision – de la même manière que plusieurs personnes essayant de franchir une porte en même temps sont plus susceptibles de se bousculer que lorsqu’elles traversent une pièce largement ouverte.
Le regroupement de particules dans un faisceau nécessite quelque chose de similaire à ce qui se passe lorsque vous placez un ballon gonflé dans un congélateur. Le refroidissement du gaz dans le ballon réduit le mouvement aléatoire des molécules et provoque le rétrécissement du ballon. Le « refroidissement » d’un faisceau réduit le mouvement aléatoire des particules et rend le faisceau plus étroit et plus dense.
Au Fermilab, les scientifiques ont utilisé le tout nouvel anneau de stockage du laboratoire, l’accélérateur de test d’optique intégrable, connu sous le nom d’IOTA, pour démontrer et explorer un nouveau type de technologie de refroidissement de faisceau avec le potentiel d’accélérer considérablement ce processus de refroidissement.
« IOTA a été conçu comme une machine flexible pour la recherche et le développement dans le domaine de la science et de la technologie des accélérateurs », a déclaré Jonathan Jarvis, scientifique au Fermilab. « Cette flexibilité nous permet de reconfigurer rapidement l’anneau de stockage pour nous concentrer sur différentes opportunités à fort impact. C’est exactement ce que nous avons fait avec cette nouvelle technique de refroidissement.
La nouvelle technique est appelée refroidissement stochastique optique et ce système de refroidissement mesure comment les particules d’un faisceau s’éloignent de leur trajectoire idéale en utilisant une configuration spéciale d’aimants, de lentilles et d’autres optiques pour donner des coups de pouce correctifs.
Ce type de système de refroidissement mesure la façon dont les particules d’un faisceau s’éloignent de leur trajectoire idéale, puis utilise une configuration spéciale d’aimants, de lentilles et d’autres optiques pour donner des coups de pouce correctifs. Cela fonctionne grâce à une caractéristique particulière des particules chargées comme les électrons et les protons : lorsque les particules se déplacent le long d’une trajectoire courbe, elles émettent de l’énergie sous forme d’impulsions lumineuses, donnant des informations sur la position et la vitesse de chaque particule dans le paquet. Le système de refroidissement du faisceau peut collecter ces informations et utiliser un dispositif appelé aimant de démarrage pour les remettre en ligne.
Le refroidissement stochastique conventionnel, qui a valu à son inventeur, Simon van der Meer, une part du prix Nobel de 1984, fonctionne en utilisant la lumière dans la gamme des micro-ondes avec des longueurs d’onde de plusieurs centimètres. En revanche, le refroidissement stochastique optique utilise la lumière visible et infrarouge, qui ont des longueurs d’onde d’environ un millionième de mètre. La longueur d’onde plus courte signifie que les scientifiques peuvent détecter l’activité des particules plus précisément et effectuer des corrections plus précises.
Pour préparer un faisceau de particules pour les expériences, les opérateurs de l’accélérateur l’envoient en plusieurs passages dans le système de refroidissement. La résolution améliorée du refroidissement stochastique optique fournit des coups de pied plus précis à de plus petits groupes de particules, donc moins de tours autour de l’anneau de stockage sont nécessaires. Avec le faisceau refroidi plus rapidement, les chercheurs peuvent passer plus de temps à utiliser ces particules pour produire des données expérimentales.
Le refroidissement aide également à préserver les faisceaux en régnant continuellement dans les particules lorsqu’elles rebondissent les unes sur les autres. En principe, le refroidissement stochastique optique pourrait augmenter la vitesse de refroidissement de pointe jusqu’à un facteur de 10 000.
Cette première démonstration à l’IOTA a utilisé un faisceau d’électrons de moyenne énergie et une configuration appelée « refroidissement passif », qui n’amplifie pas les impulsions lumineuses des particules. L’équipe a observé avec succès l’effet et obtenu une augmentation d’environ dix fois la vitesse de refroidissement par rapport à « l’amortissement du rayonnement » naturel que le faisceau subit dans IOTA. Ils ont également pu contrôler si le faisceau se refroidit dans une, deux ou les trois dimensions. Enfin, en plus de refroidir des faisceaux avec des millions de particules, les scientifiques ont également mené des expériences étudiant le refroidissement d’un seul électron stocké dans l’accélérateur.
« C’est excitant parce que c’est la première technique de refroidissement démontrée dans le régime optique, et cette expérience nous a permis d’étudier au mieux la physique essentielle du processus de refroidissement », a déclaré Jarvis. « Nous avons déjà beaucoup appris, et maintenant nous pouvons ajouter une autre couche à l’expérience qui nous rapproche considérablement des applications réelles. »
Une fois l’expérience initiale terminée, l’équipe scientifique développe un système amélioré à l’IOTA qui sera la clé pour faire progresser la technologie. Il utilisera un amplificateur optique pour renforcer la lumière de chaque particule d’environ un facteur de 1 000 et appliquera l’apprentissage automatique pour ajouter de la flexibilité au système.
« En fin de compte, nous explorerons diverses façons d’appliquer cette nouvelle technique dans les collisionneurs de particules et au-delà », a déclaré Jarvis. « Nous pensons que c’est très cool. »
Jonathan Jarvis, Démonstration expérimentale du refroidissement stochastique optique, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04969-7. www.nature.com/articles/s41586-022-04969-7