Antes que os pesquisadores possam colidir feixes de partículas para estudar as interações de partículas de alta energia, eles precisam criar esses feixes em aceleradores de partículas. E quanto mais compactas as partículas são embaladas nos feixes, as melhores chances dos cientistas de detectar fenômenos físicos raros.

Tornar um feixe de partículas mais denso ou mais brilhante é o mesmo que colocar um balão inflado no freezer. Assim como reduzir o movimento aleatório das moléculas de gás dentro do balão faz com que ele encolha, reduzir o movimento aleatório das partículas em um feixe torna o feixe mais denso. Mas os físicos não têm freezers para partículas que se movem perto da velocidade da luz - então, eles inventam outras maneiras inteligentes de resfriar o feixe.

Um experimento em andamento no Integrable Optics Test Accelerator do Fermilab busca ser o primeiro a demonstrar resfriamento óptico estocástico, uma nova tecnologia de resfriamento por feixe que tem o potencial de acelerar drasticamente o processo de resfriamento. Se for bem sucedido, a técnica permitiria experimentos futuros para gerar feixes mais brilhantes de partículas carregadas e estudar física anteriormente inacessível.

"Existe esta gama de energias - cerca de 10 a 1, 000 GeV - onde atualmente não existe tecnologia para resfriar prótons, e é aí que o resfriamento estocástico óptico pode ser aplicado no momento, "disse o cientista do Fermilab Alexander Valishev, o líder da equipe que projetou e construiu o IOTA. "Mas se o desenvolvermos, então tenho certeza de que haverá outros aplicativos. "

Em janeiro, O experimento OSC da IOTA começou a coletar dados. IOTA é apoiado pelo Departamento de Energia do Escritório de Ciência dos EUA.

OSC opera no mesmo princípio do resfriamento estocástico convencional, uma tecnologia desenvolvida por Simon van der Meer e aproveitada por Carlo Rubbia para a descoberta de 1983 dos bósons W e Z. Van der Meer e Rubbia ganharam o Prêmio Nobel de Física de 1984 por seu trabalho, que desde então encontrou uso em muitos aceleradores de partículas.

O resfriamento estocástico fornece uma maneira de medir como as partículas em um feixe se afastam da trajetória desejada e aplicam correções para aproximá-las, tornando assim o feixe mais denso. A técnica depende da interação entre as partículas carregadas e a radiação eletromagnética que elas emitem.

À medida que partículas carregadas, como elétrons ou prótons, se movem em um caminho curvo, eles irradiam energia na forma de luz, que um pickup no acelerador detecta. Cada sinal de luz contém informações sobre a posição e velocidade médias de um "monte" de milhões ou bilhões de partículas.

Em seguida, um dispositivo eletroímã chamado kicker aplica este mesmo sinal de volta ao grupo para corrigir qualquer movimento perdido, como um jogador de futebol chutando uma bola para mantê-la dentro dos limites. Cada chute traz a posição e a velocidade média das partículas para mais perto do valor desejado, mas as partículas individuais ainda podem se afastar. Para corrigir o movimento de partículas individuais e criar um feixe denso, o processo deve ser repetido milhares de vezes enquanto o feixe circula no acelerador.

O resfriamento estocástico tradicional usa sinais eletromagnéticos na faixa de microondas, com comprimentos de onda centimétricos. OSC usa luz visível e infravermelha, com comprimentos de onda em torno de um mícron - um milionésimo de um metro.

"A escala é definida pelo comprimento de onda, "Valishev disse." Os comprimentos de onda mais curtos significam que podemos ler as informações do feixe com maior resolução e melhores correções pontuais. "

A resolução mais alta permite que o OSC forneça chutes mais precisos para grupos menores de partículas. Grupos menores de partículas requerem menos chutes para resfriar, assim como um pequeno balão esfria mais rápido do que um grande quando colocado no freezer. Cada partícula é chutada uma vez por volta ao redor do acelerador. Uma vez que menos chutes são necessários, todo o feixe esfria após menos voltas.

Em princípio, OSC pode acelerar o resfriamento do feixe por um fator de 10, 000 em comparação com o resfriamento estocástico convencional. O primeiro experimento de demonstração em IOTA, que está usando um feixe de elétrons de média energia, tem um objetivo mais modesto. À medida que o feixe circula no acelerador e irradia luz, perde energia, resfriamento por conta própria em cerca de 1 segundo; O IOTA busca uma redução de dez vezes nesse tempo de resfriamento.

As propostas para OSC despertaram o interesse da comunidade de aceleradores já na década de 1990, mas até agora uma implementação bem-sucedida tem escapado aos pesquisadores. O aproveitamento de comprimentos de onda de luz mais curtos levanta uma série de desafios técnicos.

"As posições relativas de todos os elementos relevantes precisam ser controladas no nível de um quarto de comprimento de onda ou melhor, "Valishev disse." Além disso, você tem que ler o pacote de ondas do feixe, e então você tem que transportá-lo, amplifique-o, e depois aplique-o de volta na mesma viga. Novamente, tudo deve ser feito com essa precisão extrema. "

IOTA provou ser o acelerador perfeito para o trabalho. A peça central das instalações do Acelerador de Ciência e Tecnologia do Fermilab, O IOTA tem um design flexível que permite aos pesquisadores adaptar os componentes da linha de luz à medida que avançam as fronteiras da ciência do acelerador.

O experimento OSC da IOTA está começando com elétrons porque essas partículas leves podem ser aceleradas de maneira fácil e barata até as velocidades em que irradiam luz visível e infravermelha. No futuro, os cientistas esperam aplicar a técnica aos prótons. Devido à sua massa maior, prótons devem atingir energias mais altas para irradiar a luz desejada, tornando-os mais difíceis de manusear.

Inicialmente, IOTA estudará resfriamento passivo, em que a luz emitida pelo feixe de elétrons não será amplificada antes de ser refletida de volta no feixe. Depois que essa abordagem simplificada for bem-sucedida, a equipe adicionará amplificadores ópticos para fortalecer a luz que fornece os chutes corretivos.

Além de fornecer uma nova tecnologia de resfriamento para aceleradores de partículas de alta energia, OSC pode aprimorar o estudo da eletrodinâmica fundamental e das interações entre elétrons e fótons.

"O resfriamento estocástico óptico é uma mistura de várias áreas da física experimental moderna, de aceleradores e feixes a ótica de luz, tudo mesclado em um pacote, "Valishev disse." Isso o torna muito desafiador e também muito estimulante para trabalhar. "