Dimostrazione sperimentale del raffreddamento ottico stocastico

Natura volume 608, pagine 287–292 (2022)Citare questo articolo

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Gli acceleratori di particelle e gli anelli di accumulazione sono stati strumenti di scoperta rivoluzionari e, per molte applicazioni, le innovazioni nel raffreddamento del fascio di particelle sono state uno dei principali motori di tale successo1. Il raffreddamento stocastico (SC), uno dei più importanti progressi concettuali e tecnologici in quest'area2,3,4,5,6, raffredda un raggio attraverso il campionamento granulare e la correzione della sua struttura nello spazio delle fasi, somigliando così a un "demone di Maxwell" '. L’estensione della SC dal regime delle microonde fino alle frequenze e alle larghezze di banda ottiche è stata perseguita a lungo, poiché potrebbe aumentare le velocità di raffreddamento ottenibili di tre o quattro ordini di grandezza e fornire un potente strumento per i futuri acceleratori. Proposto per la prima volta quasi 30 anni fa, il raffreddamento ottico stocastico (OSC) sostituisce gli elementi convenzionali a microonde dell'SC con analoghi a frequenza ottica ed è, in linea di principio, compatibile con qualsiasi specie di fascio di particelle cariche7,8. Qui descriviamo una dimostrazione dell'OSC in un esperimento di prova di principio presso l'Integrable Optics Test Accelerator del Fermi National Accelerator Laboratory9,10. L'esperimento ha utilizzato elettroni da 100 MeV e una configurazione non amplificata di OSC con una lunghezza d'onda della radiazione di 950 nm e ha ottenuto un forte raffreddamento simultaneo del fascio in tutti i gradi di libertà. Questa realizzazione di SC a frequenze ottiche funge da base per esperimenti più avanzati con amplificazione ottica ad alto guadagno e avanza opportunità per futuri sistemi OSC operativi con potenziali benefici per un'ampia comunità di utenti nelle scienze basate sugli acceleratori.

Gli acceleratori di particelle sono strumenti scientifici di inestimabile valore che hanno consentito un secolo di progressi nella fisica delle alte energie, nella fisica nucleare, nella scienza dei materiali, nella fusione, nella medicina e altro ancora1. In molte applicazioni sono necessari fasci di particelle ad alta luminosità e, per quelle che si affidano ad anelli di accumulazione (ad esempio, collisori di particelle, sorgenti luminose e anelli di ioni leggeri e pesanti), il raffreddamento del fascio è un elemento indispensabile della progettazione dell'acceleratore e funzionamento. Il raffreddamento del fascio costituisce una riduzione del volume dello spazio delle fasi a sei dimensioni occupato dalle particelle del fascio o, equivalentemente, una riduzione del movimento termico all'interno del fascio. Nel caso dei collisori, il raffreddamento aumenta la luminosità attraverso la riduzione dell'emissività del fascio ed è essenziale per combattere l'intrabeam scattering (IBS) e altri meccanismi di diffusione11,12. Il raffreddamento consente e supporta inoltre un'ampia gamma di altre applicazioni nella fisica atomica, delle particelle e nucleare, inclusa la produzione efficiente di antiidrogeno per test di carica, parità, simmetria di inversione temporale (CPT) e gravità13,14,15, esperimenti su target interno per misurazioni di precisione di masse e larghezze di risonanza16 e la produzione e il raffreddamento di specie ioniche sia stabili che radioattive per misurazioni di precisione di stati e interazioni17,18.

Esiste un'ampia gamma di tecniche di raffreddamento specifiche per l'applicazione19,20. Uno dei più comuni è lo smorzamento della radiazione di sincrotrone (SR), che risulta dall'emissione di SR da parte del fascio nella flessione dei magneti e dal successivo ripristino di questa perdita di energia da parte delle cavità dell'acceleratore a radiofrequenza21. Per i collisori elettrone-positrone, così come per i collisori adronici proposti sulla frontiera dell’energia (ad esempio, il Future Circular Collider), un raffreddamento adeguato è già presente grazie allo smorzamento SR22,23; tuttavia, per gli adroni ad energie inferiori a circa 4 TeV, i tempi di smorzamento SR all'energia di collisione sono troppo lunghi per un uso pratico e un raffreddamento efficace richiede un sistema ingegnerizzato.

Per tali sistemi si possono considerare due famiglie principali di metodi di raffreddamento: raffreddamento elettronico (EC) e raffreddamento stocastico (SC)2,3,24,25,26. Nella EC, la temperatura di un fascio di adroni viene ridotta quando le particelle si termalizzano attraverso lo scattering di Coulomb con un fascio di elettroni a bassa temperatura con velocità corrispondente. Sfortunatamente, il ridimensionamento dell'EC con l'energia del fascio diventa particolarmente sfavorevole per i fasci relativistici. L'EC potrebbe essere fattibile per il previsto Electron Ion Collider (EIC) presso il Brookhaven National Laboratory, che ha un limite operativo previsto di 275 GeV (protoni), ma il potenziale per i sistemi EC oltre questa energia è incerto27,28.