Físicos do acelerador demonstraram uma técnica inovadora usando feixes de elétrons para manter os feixes de partículas resfriados no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - uma instalação do usuário do Departamento de Energia dos EUA para pesquisa de física nuclear no Laboratório Nacional de Brookhaven. Esta técnica de resfriamento de elétrons de "feixe agrupado" permitirá maiores taxas de colisão de partículas no RHIC, onde os cientistas estudam os destroços da colisão para aprender sobre os blocos de construção da matéria como eles existiam logo após o Big Bang.

A equipe do acelerador de Brookhaven está testando o método nas energias mais baixas do colisor - um regime em que os dados são escassos, mas é crucial para entender como as partículas que preencheram o universo primitivo se transformaram na matéria comum que constitui o nosso mundo hoje.

"As condições de baixa energia são realmente as mais desafiadoras para esta técnica, "disse Alexei Fedotov, o físico acelerador do Brookhaven Lab que liderou o esforço e a equipe de quase 100 pessoas que o fez acontecer.

"Agora que demonstramos o resfriamento por feixe agrupado na situação de energia mais desafiadora, abre a possibilidade de aplicar esses mesmos princípios em energias mais elevadas - incluindo em um possível futuro colisor elétron-íon, " ele disse.

Conquistando desafios

A realização se baseia em uma ideia inventada há pouco mais de 50 anos pelo físico russo Gersh Budker - a saber, usando um feixe de elétrons (que são inerentemente mais frios do que partículas maiores que se movem na mesma velocidade) para extrair calor de um feixe de partículas maiores. Isso mantém as partículas compactadas e com maior probabilidade de colidirem. Mas a versão Brookhaven inclui uma série de conquistas e inovações inéditas no mundo, mesmo os especialistas na área duvidam que possam ter sucesso tão rapidamente.

"Havia muitos desafios de física e engenharia a superar, "Fedotov observou.

A equipe teve que construir e comissionar um novo acelerador de elétrons de última geração que caberia dentro do túnel RHIC - que incluía o uso de tecnologia de aceleração de radiofrequência (RF) mais compacta em vez do método de corrente contínua (DC) padrão usado em todas as configurações anteriores de resfriamento de elétrons. E porque os íons de RHIC circulam como grupos periódicos de partículas, não um fluxo contínuo, os elétrons tinham de ser produzidos em pulsos que combinassem com esses grupos - não apenas no tempo, mas também na energia e na trajetória - tudo isso enquanto mantinham sua frieza intrínseca. Mais, porque RHIC é realmente dois aceleradores, com feixes de íons movendo-se em direções opostas em dois tubos de feixe, os físicos tiveram que descobrir como resfriar os dois feixes com o mesmo fluxo de elétrons!

"Caso contrário, teríamos que construir dois desses aceleradores de elétrons, "Fedotov disse.

"Na verdade, é uma grande instalação feita de muitos componentes complexos, incluindo 100 metros de linha de luz onde os elétrons acelerados se propagam com os íons em um feixe RHIC para extrair seu calor, em seguida, faça uma volta de 180 graus para resfriar os íons do outro feixe RHIC que se move na direção oposta. Isso nunca foi feito antes! "

Gerando elétrons

Para gerar e acelerar rapidamente esses feixes de elétrons de precisão, a equipe usou um canhão de elétrons fotocátodo ativado por laser seguido por uma cavidade de RF em aceleração. A arma usa um laser de alta frequência de alta potência e fotocátodos projetados por Brookhaven que são transportados 12 de cada vez em uma câmara de vácuo da Divisão de Instrumentação de Brookhaven para o túnel RHIC. Uma vez no RHIC, a câmara de vácuo pode girar como uma roda gigante para desligar os fotocátodos à medida que se desgastam enquanto o RHIC está em execução, permitindo que a arma funcione em alta corrente para operação de longo prazo quando o acesso ao RHIC for limitado.

"Quando falamos pela primeira vez sobre este design, em 2015, isto foi apenas um desenho! ", disse Fedotov." Agora o estamos usando rotineiramente. "

O laser verde que aciona os fotocátodos para emitir pulsos de elétrons também é o primeiro de seu tipo - o laser verde de maior potência média já gerado por um único laser baseado em fibra. O alinhamento preciso e o corte dos pulsos de laser controlam a frequência dos feixes de elétrons gerados para resfriamento.

O laser e o canhão fotocátodo produziram os primeiros pulsos de elétrons em maio de 2017. Então, após o comissionamento dos primeiros sete metros da linha de luz (o injetor para o acelerador) no final de 2017, a equipe instalou 100 metros de linha de luz, incluindo cinco cavidades de RF e seções de resfriamento retas cobertas por várias camadas de blindagem magnética, em janeiro de 2018. Eles então passaram o ano passado comissionando o acelerador de elétrons completo.

Mantendo a calma

"O principal desafio foi entregar um feixe com todas as propriedades necessárias para o resfriamento - o que significa pequenas velocidades relativas em todas as direções, com energias correspondentes e ângulos pequenos - e, em seguida, propagando este feixe de elétrons de muito baixa energia ao longo de 100 metros de linha de transporte de feixe, mantendo essas propriedades, "disse Dmitry Kayran, o físico acelerador que liderou o esforço de comissionamento.

Kayran descreveu o trabalho em simulações para otimizar os parâmetros do feixe, que orientou a instalação de instrumentos de monitoramento de feixe, que por sua vez determinou a colocação das cavidades de aceleração de RF.

"Devido à aceleração, a qualidade do feixe pode se deteriorar, então você precisa desse monitoramento e ajustes cuidadosos para manter a propagação de energia o mais baixo possível, "Kayran disse.

"O projeto das seções de resfriamento para resfriamento de elétrons RHIC de baixa energia (LEReC) é único, "disse o físico acelerador Sergei Seletskiy, quem liderou essa parte do esforço. "Preservar a qualidade do feixe nessas seções de resfriamento de ambos os anéis RHIC é um desafio, e novamente algo que foi demonstrado pela primeira vez com este projeto.

"Muitos recursos e desafios exclusivos de nosso projeto estão relacionados ao fato de que, pela primeira vez em 50 anos, estamos aplicando resfriamento de elétrons diretamente na energia de colisão de íons, "ele observou." Ver tudo isso se ligando e trabalhando para resfriar íons com feixes de elétrons agrupados e em dois anéis colisores ao mesmo tempo é incrível. Esta é uma grande conquista na física do acelerador! "

A próxima etapa será mostrar que o resfriamento aumenta as taxas de colisão nas colisões de baixa energia RHIC do próximo ano - e, em seguida, extrair os dados e o que eles revelam sobre os blocos de construção da matéria.

Com uma técnica de resfriamento de elétrons de feixe agrupado agora experimentalmente demonstrada no Laboratório de Brookhaven, sua aplicação para resfriamento de alta energia pode abrir novas possibilidades, produzindo feixes de hadron de alta qualidade que são necessários para vários projetos futuros de física de acelerador, incluindo o colisor de íons de elétrons (EIC) proposto.

O LEReC foi financiado pelo DOE Office of Science e se beneficiou da ajuda e experiência de muitos membros do Departamento de Colisor-Acelerador e Divisão de Instrumentação do Brookhaven Lab, bem como contribuições do Fermi National Accelerator Laboratory, Laboratório Nacional de Argonne, Thomas Jefferson National Accelerator Facility, e Cornell University.