实验室成功展示了改善粒子束的新技术

光束粒子在通过称为拾取起伏器的特殊磁铁（右下角）时发出超快的光脉冲。有关每个粒子的能量或轨迹误差的信息都编码在其光脉冲中。光脉冲由各种光光学元件捕获，聚焦和调谐。然后，粒子在相同的踢球器起伏器（中心）内与它们自己的脉冲相互作用。相互作用可用于冷却颗粒甚至控制它们，具体取决于系统的配置。图片来源：Jonathan Jarvis，Fermilab

物理学家喜欢将粒子粉碎在一起，并研究由此产生的混沌。这就是新粒子和奇怪的物理学的发现，这些粒子的产生时间只有一秒钟的微小，并重建了数十亿年来在我们的宇宙中经常看不到的条件。但要使魔术发生，必须首先碰撞两束粒子。

美国能源部费米国家加速器实验室的研究人员宣布了一种改善粒子束的新技术的首次成功演示。这种演示可以用于未来的粒子加速器，以潜在地使用该方法来产生更好，更致密的粒子束，增加碰撞的数量，并为研究人员提供更好的机会来探索稀有的物理现象，以帮助我们了解我们的宇宙。该团队在最近一期的《自然》杂志上发表了研究结果。

粒子束由数十亿个粒子组成，这些粒子以称为束的形式聚集在一起。将每束中的粒子凝聚在一起，使它们紧密地挤在一起，使得碰撞成束中的粒子更有可能相互作用 - 就像多个人试图同时穿过门口比穿过一个敞开的房间时更有可能相互碰撞一样。

将粒子包装在光束中需要类似于将充气气球放入冰箱时发生的情况。冷却球囊中的气体会减少分子的随机运动并导致球囊收缩。“冷却”光束减少了粒子的随机运动，使光束更窄，更致密。

在费米实验室，科学家们使用实验室最新的存储环，即可积光学测试加速器（IOTA）来演示和探索一种新型的光束冷却技术，该技术有可能大大加快冷却过程。

“IOTA是作为加速器科学和技术研发的灵活机器而建造的，”费米实验室的科学家Jonathan Jarvis说。“这种灵活性使我们能够快速重新配置存储环，以专注于不同的高影响力机会。这正是我们用这种新的冷却技术所做的。

光学随机冷却装置占据了IOTA长实验直线的整个6米长度。该系统由IOTA / FAST团队和行业合作伙伴设计和构建，最近用于实现世界上第一个OSC演示。图片来源：Jonathan Jarvis，Fermilab

这种新技术被称为光学随机冷却，这种冷却系统使用磁铁，透镜和其他光学元件的特殊配置来测量光束中的粒子如何偏离其理想路线，以提供校正推动。

这种冷却系统测量光束中的粒子如何偏离其理想路线，然后使用磁铁，透镜和其他光学元件的特殊配置来提供校正推动。它之所以有效，是因为带电粒子（如电子和质子）的特殊特征：当粒子沿着弯曲的路径移动时，它们以光脉冲的形式辐射能量，提供有关束中每个粒子的位置和速度的信息。光束冷却系统可以收集这些信息，并使用一种称为踢脚磁铁的装置将它们推回原位。

传统的随机冷却，其发明者西蒙·范德米尔（Simon van der Meer）获得了1984年诺贝尔奖的份额，它的工作原理是使用波长为几厘米的微波范围内的光。相比之下，光学随机冷却使用可见光和红外光，其波长约为百万分之一米。较短的波长意味着科学家可以更精确地感知粒子的活动并进行更准确的校正。

为了准备用于实验的粒子束，加速器操作员将其发送到冷却系统的几次通道中。光学随机冷却分辨率的提高为较小的颗粒组提供了更精确的踢，因此在存储环周围需要的圈数更少。随着光束冷却得更快，研究人员可以花更多的时间使用这些粒子来产生实验数据。

冷却还有助于通过在粒子相互反弹时不断控制颗粒来保护光束。原则上，光学随机冷却可以将最先进的冷却速率提高多达10，000倍。

IOTA的首次演示使用了中等能量电子束和称为“被动冷却”的配置，这种配置不会放大来自粒子的光脉冲。该团队成功地观察到了这种效应，并且与IOTA中光束经历的自然“辐射阻尼”相比，冷却速率提高了约十倍。他们还能够控制光束是在一个，两个还是所有三个维度上冷却。最后，除了冷却含有数百万个粒子的光束外，科学家们还进行了实验，研究了存储在加速器中的单个电子的冷却。

“这令人兴奋，因为这是光学制度中展示的第一种冷却技术，这个实验让我们研究了冷却过程的最基本物理原理，”贾维斯说。“我们已经学到了很多东西，现在我们可以在实验中添加另一层，使我们更接近实际应用。

通过IOTA环的光束管向下游看的视图。光学随机冷却实验占据了IOTA环的直线部分之一并冷却存储的光束，类似于Tevatron时代回收器中射频随机冷却反质子的方式。图片来源：Jamie Santucci，Fermilab

随着初始实验的完成，科学团队正在IOTA开发一个改进的系统，这将是推进该技术的关键。它将使用光放大器将每个粒子的光增强约1，000倍，并应用机器学习来增加系统的灵活性。

“最终，我们将探索各种方法将这种新技术应用于粒子对撞机及其他领域，”贾维斯说。“我们认为这很酷。

更多信息：Jonathan Jarvis，光学随机冷却的实验演示，自然（2022）。DOI： 10.1038/s41586-022-04969-7.www.nature.com/articles/s41586-022-04969-7

期刊信息：《自然》