Mathew Paniccia, ingénieur du Brookhaven Lab, à côté des sections de refroidissement LEReC. Les électrons ont réussi à refroidir des paquets d'ions dans ces sections de refroidissement du collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC). Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Les physiciens des accélérateurs ont démontré une technique révolutionnaire utilisant des paquets d'électrons pour maintenir les faisceaux de particules au frais au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC), une installation utilisateur du ministère de l'Énergie des États-Unis pour la recherche en physique nucléaire au Laboratoire national de Brookhaven. Cette technique de refroidissement par électrons "à faisceau groupé" permettra des taux de collision de particules plus élevés au RHIC, où les scientifiques étudient les débris de collision pour en savoir plus sur les éléments constitutifs de la matière tels qu'ils existaient juste après le Big Bang.
L'équipe de l'accélérateur de Brookhaven teste la méthode aux énergies les plus basses du collisionneur - un régime où les données sont rares mais cruciales pour comprendre comment les particules qui remplissaient l'univers primitif se sont transformées en la matière ordinaire qui compose notre monde aujourd'hui.
"Les conditions de basse énergie sont en fait les plus difficiles pour cette technique, " a déclaré Alexeï Fedotov, le physicien de l'accélérateur de Brookhaven Lab qui a dirigé l'effort et l'équipe de près de 100 personnes qui l'ont rendu possible.
« Maintenant que nous avons démontré le refroidissement par faisceaux groupés dans la situation énergétique la plus difficile, il ouvre la possibilité d'appliquer ces mêmes principes à des énergies plus élevées, y compris à un éventuel futur collisionneur électron-ion, " il a dit.
Relever les défis
L'accomplissement s'appuie sur une idée inventée il y a un peu plus de 50 ans par le physicien russe Gersh Budker, à savoir, en utilisant un faisceau d'électrons (qui sont intrinsèquement plus froids que les particules plus grosses se déplaçant à la même vitesse) pour extraire la chaleur d'un faisceau de particules plus grosses. Cela maintient les particules étroitement emballées et plus susceptibles d'entrer en collision. Mais la version Brookhaven comprend une série de réalisations et d'innovations uniques au monde, même les experts du domaine doutaient qu'elles puissent réussir si rapidement.
"Il y avait de nombreux défis de physique et d'ingénierie à surmonter, " a noté Fedotov.
L'équipe a dû construire et mettre en service un nouvel accélérateur d'électrons de pointe qui s'adapterait à l'intérieur du tunnel RHIC, ce qui incluait l'utilisation d'une technologie d'accélération radiofréquence (RF) plus compacte plutôt que la méthode standard de courant continu (CC) utilisée dans toutes les configurations de refroidissement par électrons précédentes. Et parce que les ions du RHIC circulent sous forme de grappes périodiques de particules, pas un flux continu, les électrons devaient être produits en impulsions correspondant à ces paquets, non seulement en termes de synchronisation, mais également d'énergie et de trajectoire, tout en maintenant leur fraîcheur intrinsèque. Plus, car RHIC c'est vraiment deux accélérateurs, avec des faisceaux d'ions se déplaçant dans des directions opposées dans deux tubes de faisceau, les physiciens devaient trouver comment refroidir les deux faisceaux avec le même flux d'électrons !
Un schéma du système LEReC, qui comprend de nombreuses avancées significatives dans la science des accélérateurs. Lorsque la lumière d'une installation laser à l'extérieur du tunnel RHIC frappe la photocathode d'un canon photocathode à courant continu (CC) unique, il produit des paquets d'électrons qui sont ensuite accélérés par une cavité radiofréquence supraconductrice (SRF) et transportés dans des sections de refroidissement du RHIC. Ici, les électrons froids sont précisément mis en correspondance avec les paquets d'ions du RHIC dans un anneau RHIC, puis l'autre, pour extraire la chaleur et garder les ions étroitement emballés dans le but de maximiser les taux de collision. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
"Sinon, nous aurions dû construire deux de ces accélérateurs d'électrons, ", a déclaré Fedotov.
"C'est en fait une énorme installation composée de nombreux composants complexes, dont 100 mètres de ligne de lumière où les électrons accélérés se propagent avec les ions dans un faisceau RHIC pour extraire leur chaleur, puis faites un virage à 180 degrés pour refroidir les ions de l'autre faisceau RHIC se déplaçant dans la direction opposée. Cela n'a jamais été fait auparavant!"
Générer des électrons
Pour générer et accélérer rapidement ces paquets d'électrons de précision, l'équipe a utilisé un canon à électrons à photocathode activé par laser suivi d'une cavité RF d'accélération. Le pistolet utilise un laser haute fréquence et haute puissance et des photocathodes conçues par Brookhaven qui sont transportées 12 à la fois dans une chambre à vide de la division Instrumentation de Brookhaven au tunnel RHIC. Une fois au RHIC, la chambre à vide peut tourner comme une grande roue pour éteindre les photocathodes lorsqu'elles s'usent pendant le fonctionnement du RHIC, permettant au pistolet de fonctionner à courant élevé pour un fonctionnement à long terme lorsque l'accès au RHIC est limité.
« Quand nous avons parlé pour la première fois de cette conception, en 2015, ce n'était qu'un dessin ! » a déclaré Fedotov. « Maintenant, nous l'utilisons régulièrement. »
Le laser vert qui déclenche les photocathodes pour émettre des impulsions d'électrons est également le premier du genre :le laser vert de puissance moyenne la plus élevée jamais généré par un seul laser à fibre. L'alignement et l'ajustement de précision des impulsions laser contrôlent la fréquence des paquets d'électrons générés pour le refroidissement.
Le laser et le canon à photocathode ont produit les premières impulsions électroniques en mai 2017. Ensuite, après la mise en service des sept premiers mètres de la ligne (l'injecteur de l'accélérateur) fin 2017, l'équipe a installé 100 mètres de ligne de lumière, comprenant cinq cavités RF et des sections de refroidissement droites recouvertes de plusieurs couches de blindage magnétique, en janvier 2018. Ils ont ensuite passé l'année dernière à mettre en service l'accélérateur d'électrons complet.
Les membres du groupe de vide du département Collider-Accelerator à côté du dispositif d'insertion de cathode (de gauche à droite) :Mike Nicoletta, Kirk Sinclair, et Ken Decker. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Garder au frais
"Le principal défi était de fournir un faisceau avec toutes les propriétés requises pour le refroidissement, c'est-à-dire de petites vitesses relatives dans toutes les directions, avec des énergies correspondantes et de petits angles, puis en propageant ce faisceau d'électrons à très faible énergie le long de 100 mètres de ligne de transport de faisceau tout en conservant ces propriétés, " a déclaré Dmitri Kayran, le physicien de l'accélérateur qui a dirigé l'effort de mise en service.
Kayran a décrit les travaux sur les simulations qui ont permis d'optimiser les paramètres du faisceau, qui a guidé l'installation des instruments de surveillance du faisceau, qui à son tour a déterminé le placement des cavités d'accélération RF.
"En raison de l'accélération, la qualité du faisceau peut se détériorer, vous avez donc besoin de cette surveillance et de réglages minutieux pour maintenir la diffusion d'énergie aussi faible que possible, " a déclaré Kayran.
« La conception des sections de refroidissement pour le refroidissement électronique RHIC à basse énergie (LEReC) est unique, " a déclaré le physicien des accélérateurs Sergueï Seletskiy, qui a dirigé cette partie de l'effort. « Préserver la qualité du faisceau dans ces sections de refroidissement des deux anneaux RHIC est un défi, et encore quelque chose qui a été démontré pour la première fois avec ce projet.
« De nombreuses caractéristiques et défis uniques de notre projet sont liés au fait que, pour la première fois en 50 ans, nous appliquons le refroidissement électronique directement à l'énergie de collision ionique, " a-t-il noté. " Voir tout cela lié et travailler pour refroidir les ions avec des faisceaux d'électrons groupés et dans deux anneaux de collisionneur à la fois est incroyable. C'est une grande réussite dans le domaine de la physique des accélérateurs !"
La prochaine étape consistera à montrer que le refroidissement améliore les taux de collision dans les collisions à basse énergie RHIC de l'année prochaine, puis à extraire les données et ce qu'elles révèlent sur les éléments constitutifs de la matière.
Avec une technique de refroidissement par électrons à faisceau groupé maintenant démontrée expérimentalement au Brookhaven Lab, son application au refroidissement à haute énergie peut ouvrir de nouvelles possibilités en produisant des faisceaux de hadrons de haute qualité nécessaires à plusieurs futurs projets de physique des accélérateurs, y compris le collisionneur électron-ion (EIC) proposé.
LEReC a été financé par le DOE Office of Science et a bénéficié de l'aide et de l'expertise de nombreux membres du département Collider-Accelerator et de la division Instrumentation du Brookhaven Lab, ainsi que les contributions du Laboratoire National des Accélérateurs Fermi, Laboratoire National d'Argonne, Installation de l'accélérateur national Thomas Jefferson, et l'Université Cornell.
