На сайте Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми Министерства энергетики США (Фермилаб) размещена информация "Первая демонстрация новой технологии пучка частиц в Фермилабе".

Физики любят сталкивать частицы и изучать возникающий хаос - для открытия новых частиц и исследования странной физики. При этом такие частицы генерируются за мельчайшие доли секунды и воссоздаются условия, которые часто не наблюдались в нашей Вселенной в течение миллиардов лет. Но чтобы произошло волшебство, сначала должны столкнуться два пучка частиц.

Исследователи Фермилаба объявили о первой успешной демонстрации новой техники, которая улучшает пучки частиц. Будущие ускорители частиц потенциально могут использовать этот метод для создания более качественных и плотных пучков частиц, увеличивая количество столкновений и предоставляя исследователям больше шансов исследовать редкие физические явления, которые помогают нам понять нашу Вселенную.

Ученые использовали новейшее накопительное кольцо Фермилаб, известное как IOTA, для демонстрации и изучения нового типа технологии охлаждения пучка.

Новый метод называется оптическим стохастическим охлаждением. Впервые он был предложен в начале 1990-х годов, и, хотя был достигнут значительный теоретический прогресс, экспериментальная демонстрация метода до сих пор оставалась труднодостижимой.

Такая система охлаждения измеряет, как частицы в пучке отклоняются от своего идеального курса, а затем использует специальную конфигурацию магнитов, линз и другой оптики для корректировки. Это работает из-за особенности заряженных частиц (электронов и протонов): когда частицы движутся по криволинейной траектории, они излучают энергию в виде световых импульсов, давая информацию о положении и скорости каждой частицы в сгустке. Система охлаждения пучка может собирать эту информацию и использовать устройство, называемое кикерным магнитом, чтобы подправить их курс.

Обычное стохастическое охлаждение, за которое его создатель Саймон ван дер Меер получил Нобелевскую премию 1984 года, работает с использованием света в микроволновом диапазоне с длиной волны в несколько сантиметров.

Напротив, оптическое стохастическое охлаждение использует видимый и инфракрасный свет, длина волны которых составляет около миллионной доли метра. Более короткая длина волны означает, что ученые могут более точно определять активность частиц и вносить более точные поправки. В принципе, оптическое стохастическое охлаждение может увеличить скорость охлаждения до 10 000 раз.

В первой демонстрации на IOTA использовался электронный пучок средней энергии. Команда успешно наблюдала эффект и добилась примерно десятикратного увеличения скорости охлаждения по сравнению с естественным «затуханием излучения», которое испытывает пучок в IOTA. Они также могли контролировать охлаждение пучка в одном, двух или во всех трех измерениях. В дополнение к пучкам с миллионами частиц ученые также проводили эксперименты по изучению охлаждения одного электрона в ускорителе.

Команда ученых опубликовала свои выводы в свободном доступе в недавнем выпуске журнала Nature.