Экспериментальная демонстрация оптического стохастического охлаждения

Nature, том 608, страницы 287–292 (2022 г.) Процитировать эту статью

7986 Доступов

2 цитаты

80 Альтметрика

Подробности о метриках

Ускорители частиц и накопительные кольца стали революционными инструментами открытий, и во многих случаях инновации в охлаждении пучков частиц стали основной движущей силой этого успеха1. Стохастическое охлаждение (SC), одно из наиболее важных концептуальных и технологических достижений в этой области2,3,4,5,6, охлаждает пучок посредством гранулярной выборки и коррекции его структуры в фазовом пространстве, тем самым напоминая «демона Максвелла». '. Расширение режима СЭ от микроволнового режима до оптических частот и ширины полосы уже давно рассматривается, поскольку оно может увеличить достижимые скорости охлаждения на три-четыре порядка и стать мощным инструментом для будущих ускорителей. Оптическое стохастическое охлаждение (ОСО), впервые предложенное почти 30 лет назад, заменяет традиционные микроволновые элементы СЭ аналогами оптической частоты и в принципе совместимо с любыми типами пучков заряженных частиц7,8. Здесь мы описываем демонстрацию OSC в эксперименте по проверке принципа действия на тестовом ускорителе интегрируемой оптики Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми9,10. В эксперименте использовались электроны с энергией 100 МэВ и неусиленная конфигурация OSC с длиной волны излучения 950 нм, и было достигнуто сильное одновременное охлаждение пучка во всех степенях свободы. Такая реализация SC на оптических частотах служит основой для более продвинутых экспериментов с оптическим усилением с высоким коэффициентом усиления и расширяет возможности для будущих операционных систем OSC с потенциальной пользой для широкого сообщества пользователей в науках, основанных на ускорителях.

Ускорители элементарных частиц являются бесценным научным инструментом, который обеспечил столетний прогресс в физике высоких энергий, ядерной физике, материаловедении, термоядерном синтезе, медицине и не только1. Во многих приложениях требуются пучки частиц высокой яркости, а для тех, кто полагается на накопительные кольца (например, коллайдеры частиц, источники света, кольца легких и тяжелых ионов), охлаждение пучка является обязательным элементом конструкции ускорителя. и эксплуатация. Охлаждение пучка представляет собой уменьшение шестимерного объема фазового пространства, занимаемого частицами пучка, или, что то же самое, уменьшение теплового движения внутри пучка. В случае коллайдеров охлаждение увеличивает светимость за счет уменьшения эмиттанса пучка и имеет важное значение для борьбы с внутрилучевым рассеянием (IBS) и другими механизмами диффузии11,12. Охлаждение также позволяет и поддерживает широкий спектр других приложений в атомной физике, физике элементарных частиц и ядерной физике, включая эффективное производство антиводорода для испытаний заряда, четности, симметрии обращения времени (CPT) и гравитации13,14,15, экспериментов с внутренней мишенью. для прецизионных измерений резонансных масс и ширин16, а также производства и охлаждения как стабильных, так и радиоактивных видов ионов для прецизионных измерений состояний и взаимодействий17,18.

Существует широкий спектр методов охлаждения для конкретных приложений19,20. Одним из наиболее распространенных является затухание синхротронного излучения (СИ), возникающее в результате излучения СИ пучком в изгибных магнитах и ​​последующего восполнения этих потерь энергии резонаторами радиочастотных ускорителей21. Для электрон-позитронных коллайдеров, а также предлагаемых адронных коллайдеров на энергетической границе (например, Циркулярного коллайдера будущего) уже имеется адекватное охлаждение благодаря затуханию СИ22,23; однако для адронов при энергиях ниже примерно 4 ТэВ время затухания СИ при энергии столкновения слишком велико для практического использования, и для эффективного охлаждения требуется специально разработанная система.

Для таких систем можно рассмотреть два основных семейства методов охлаждения: электронное охлаждение (EC) и стохастическое охлаждение (SC)2,3,24,25,26. В EC температура адронного пучка снижается по мере того, как частицы термализуются за счет кулоновского рассеяния низкотемпературным электронным пучком с согласованной скоростью. К сожалению, масштабирование EC с энергией пучка становится особенно неблагоприятным для релятивистских пучков. ЭК может быть осуществим для запланированного электрон-ионного коллайдера (ЭИК) в Брукхейвенской национальной лаборатории, ожидаемый рабочий потолок которого составляет 275 ГэВ (протонов), но потенциал для ЭК-систем за пределами этой энергии неопределенен27,28.