Os físicos adoram esmagar partículas e estudar o caos resultante. É aí que reside a descoberta de novas partículas e física estranha, gerada por minúsculas frações de segundo e recriando condições muitas vezes não vistas em nosso universo há bilhões de anos. Mas para que a mágica aconteça, dois feixes de partículas devem primeiro colidir.
Pesquisadores do Fermi National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos EUA anunciaram a primeira demonstração bem-sucedida de uma nova técnica que melhora os feixes de partículas. Essa demonstração pode ser usada em futuros aceleradores de partículas para potencialmente usar o método para criar feixes de partículas melhores e mais densos, aumentando o número de colisões e dando aos pesquisadores uma chance melhor de explorar fenômenos físicos raros que nos ajudam a entender nosso universo. A equipe publicou suas descobertas em uma edição recente da Nature .

Os feixes de partículas são feitos de bilhões de partículas viajando juntas em grupos chamados cachos. Condensar as partículas em cada feixe para que elas fiquem bem juntas torna mais provável que partículas em grupos colidindo interajam - da mesma forma que várias pessoas tentando passar por uma porta ao mesmo tempo são mais propensas a se acotovelar do que ao passar por ela. uma sala ampla.

Embalar partículas em um feixe requer algo semelhante ao que acontece quando você coloca um balão inflado em um freezer. O resfriamento do gás no balão reduz o movimento aleatório das moléculas e faz com que o balão encolha. "Resfriar" um feixe reduz o movimento aleatório das partículas e torna o feixe mais estreito e mais denso.

No Fermilab, os cientistas usaram o mais novo anel de armazenamento do laboratório, o Integrable Optics Test Accelerator, conhecido como IOTA, para demonstrar e explorar um novo tipo de tecnologia de resfriamento de feixe com o potencial de acelerar drasticamente esse processo de resfriamento.

"IOTA foi construído como uma máquina flexível para pesquisa e desenvolvimento em ciência e tecnologia de aceleração", disse Jonathan Jarvis, cientista do Fermilab. "Essa flexibilidade nos permite reconfigurar rapidamente o anel de armazenamento para focar em diferentes oportunidades de alto impacto. Foi exatamente isso que fizemos com essa nova técnica de resfriamento".

A nova técnica é chamada de resfriamento estocástico óptico e esse sistema de resfriamento mede como as partículas em um feixe se afastam de seu curso ideal usando uma configuração especial de ímãs, lentes e outras ópticas para fornecer empurrões corretivos.

Esse tipo de sistema de resfriamento mede como as partículas em um feixe se afastam de seu curso ideal e, em seguida, usa uma configuração especial de ímãs, lentes e outras óticas para fornecer empurrões corretivos. Ele funciona devido a uma característica particular das partículas carregadas, como elétrons e prótons:à medida que as partículas se movem ao longo de um caminho curvo, elas irradiam energia na forma de pulsos de luz, fornecendo informações sobre a posição e a velocidade de cada partícula no grupo. O sistema de resfriamento de feixe pode coletar essas informações e usar um dispositivo chamado ímã de retrocesso para colocá-los de volta na linha.

O resfriamento estocástico convencional, que rendeu ao seu inventor, Simon van der Meer, uma parte do Prêmio Nobel de 1984, funciona usando luz na faixa de micro-ondas com comprimentos de onda de vários centímetros. Em contraste, o resfriamento estocástico óptico usa luz visível e infravermelha, que têm comprimentos de onda em torno de um milionésimo de metro. O comprimento de onda mais curto significa que os cientistas podem sentir a atividade das partículas com mais precisão e fazer correções mais precisas.

Para preparar um feixe de partículas para experimentos, os operadores do acelerador o enviam em várias passagens pelo sistema de resfriamento. A resolução aprimorada do resfriamento estocástico óptico fornece chutes mais exatos para grupos menores de partículas, portanto, são necessárias menos voltas ao redor do anel de armazenamento. Com o feixe resfriado mais rapidamente, os pesquisadores podem gastar mais tempo usando essas partículas para produzir dados experimentais.

O resfriamento também ajuda a preservar os feixes ao reinar continuamente nas partículas à medida que elas ricocheteiam umas nas outras. Em princípio, o resfriamento estocástico óptico poderia aumentar a taxa de resfriamento de última geração em até um fator de 10.000.

Esta primeira demonstração na IOTA usou um feixe de elétrons de energia média e uma configuração chamada "resfriamento passivo", que não amplifica os pulsos de luz das partículas. A equipe observou com sucesso o efeito e alcançou um aumento de cerca de dez vezes na taxa de resfriamento em comparação com o "amortecimento de radiação" natural que o feixe experimenta no IOTA. Eles também foram capazes de controlar se o feixe esfria em uma, duas ou todas as três dimensões. Por fim, além de resfriar feixes com milhões de partículas, os cientistas também realizaram experimentos estudando o resfriamento de um único elétron armazenado no acelerador.

"É emocionante porque esta é a primeira técnica de resfriamento demonstrada no regime óptico, e esse experimento nos permitiu estudar ao máximo a física essencial do processo de resfriamento", disse Jarvis. "Já aprendemos muito e agora podemos adicionar outra camada ao experimento que nos aproxima significativamente de aplicativos reais."

With the initial experiment completed, the science team is developing an improved system at IOTA that will be the key to advancing the technology. It will use an optical amplifier to strengthen the light from each particle by about a factor of 1,000 and apply machine learning to add flexibility to the system.

"Ultimately, we'll explore a variety of ways to apply this new technique in particle colliders and beyond," Jarvis said. "We think it's very cool." + Explorar mais

Next-generation particle beam cooling experiment under way at Fermilab accelerator