Demonstração experimental de resfriamento estocástico óptico

Nature volume 608, páginas 287–292 (2022) Cite este artigo

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Os aceleradores de partículas e os anéis de armazenamento têm sido instrumentos transformadores de descoberta e, para muitas aplicações, as inovações no resfriamento do feixe de partículas têm sido um dos principais impulsionadores desse sucesso1. O resfriamento estocástico (SC), um dos avanços conceituais e tecnológicos mais importantes nessa área2,3,4,5,6, resfria um feixe por meio de amostragem granular e correção de sua estrutura de espaço de fase, assemelhando-se a um 'demônio de Maxwell '. A extensão do SC do regime de micro-ondas até frequências ópticas e larguras de banda tem sido buscada há muito tempo, pois pode aumentar as taxas de resfriamento alcançáveis ​​em três a quatro ordens de magnitude e fornecer uma ferramenta poderosa para futuros aceleradores. Proposto pela primeira vez há quase 30 anos, o resfriamento estocástico óptico (OSC) substitui os elementos convencionais de micro-ondas do SC por análogos de frequência óptica e é, em princípio, compatível com qualquer espécie de feixe de partículas carregadas7,8. Aqui descrevemos uma demonstração de OSC em um experimento de prova de princípio no Acelerador de teste de óptica integrável do Fermi National Accelerator Laboratory9,10. O experimento usou elétrons de 100 MeV e uma configuração não amplificada de OSC com um comprimento de onda de radiação de 950 nm e alcançou um forte resfriamento simultâneo do feixe em todos os graus de liberdade. Essa realização de SC em frequências ópticas serve como base para experimentos mais avançados com amplificação óptica de alto ganho e oportunidades avançadas para futuros sistemas OSC operacionais com benefício potencial para uma ampla comunidade de usuários nas ciências baseadas em aceleradores.

Aceleradores de partículas são ferramentas científicas inestimáveis ​​que permitiram um século de avanços em física de alta energia, física nuclear, ciência de materiais, fusão, medicina e muito mais1. Em muitas aplicações, são necessários feixes de partículas de alto brilho e, para aqueles que dependem de anéis de armazenamento (por exemplo, colisores de partículas, fontes de luz e anéis de íons leves e pesados), o resfriamento do feixe é um elemento indispensável do projeto do acelerador e operação. O resfriamento do feixe constitui uma redução do volume do espaço de fase hexadimensional ocupado pelas partículas do feixe ou, de forma equivalente, uma redução do movimento térmico dentro do feixe. No caso dos colisores, o resfriamento aumenta a luminosidade por meio da redução das emitâncias do feixe e é essencial para combater o espalhamento intrafeixe (IBS) e outros mecanismos de difusão11,12. O resfriamento também permite e suporta uma ampla gama de outras aplicações em física atômica, de partículas e nuclear, incluindo a produção eficiente de anti-hidrogênio para testes de carga, paridade, simetria de reversão de tempo (CPT) e gravidade13,14,15, experimentos de alvo interno para medições precisas de massas e larguras de ressonância16, e produção e resfriamento de espécies de íons estáveis ​​e radioativos para medições precisas de estados e interações17,18.

Existe uma ampla variedade de técnicas de resfriamento específicas da aplicação19,20. Um dos mais comuns é o amortecimento da radiação síncrotron (SR), que resulta da emissão do feixe de SR em ímãs de flexão e a subsequente reposição dessa perda de energia pelas cavidades do acelerador de radiofrequência21. Para colisores elétron-pósitron, bem como colisores de hádrons propostos na fronteira de energia (por exemplo, o Future Circular Collider), o resfriamento adequado já está presente devido ao amortecimento SR22,23; no entanto, para hádrons em energias abaixo de cerca de 4 TeV, os tempos de amortecimento SR na energia de colisão são muito longos para uso prático e o resfriamento eficaz requer um sistema de engenharia.

Para tais sistemas, duas famílias primárias de métodos de resfriamento podem ser consideradas: resfriamento eletrônico (EC) e resfriamento estocástico (SC)2,3,24,25,26. Em EC, a temperatura de um feixe de hádrons é reduzida à medida que as partículas se termalizam através da dispersão de Coulomb com um feixe de elétrons de baixa temperatura e velocidade igualada. Infelizmente, a escala de EC com energia de feixe torna-se especialmente desfavorável para feixes relativísticos. A EC pode ser viável para o planejado Colisor de Íons Eletrônicos (EIC) no Brookhaven National Laboratory, que tem um teto operacional previsto de 275 GeV (prótons), mas o potencial para sistemas EC além dessa energia é incerto27,28.