Avant que les chercheurs puissent briser ensemble des faisceaux de particules pour étudier les interactions de particules à haute énergie, ils doivent créer ces faisceaux dans des accélérateurs de particules. Et plus les particules sont serrées dans les faisceaux, meilleures chances pour les scientifiques de repérer des phénomènes physiques rares.

Rendre un faisceau de particules plus dense ou plus lumineux revient à coller un ballon gonflé dans le congélateur. Tout comme la réduction du mouvement aléatoire des molécules de gaz à l'intérieur du ballon provoque le rétrécissement du ballon, la réduction du mouvement aléatoire des particules dans un faisceau rend le faisceau plus dense. Mais les physiciens n'ont pas de congélateurs pour les particules se déplaçant près de la vitesse de la lumière. Ils conçoivent donc d'autres moyens astucieux de refroidir le faisceau.

Une expérience en cours à l'accélérateur de test d'optique intégrable du Laboratoire Fermi vise à être la première à démontrer le refroidissement stochastique optique, une nouvelle technologie de refroidissement par faisceau qui a le potentiel d'accélérer considérablement le processus de refroidissement. En cas de succès, la technique permettrait aux futures expériences de générer des faisceaux plus brillants de particules chargées et d'étudier une physique auparavant inaccessible.

"Il y a cette gamme d'énergies - environ 10 à 1, 000 GeV — là où il n'existe actuellement aucune technologie pour refroidir les protons, et c'est là que le refroidissement stochastique optique pourrait être appliqué pour le moment, " a déclaré le scientifique du Fermilab Alexander Valishev, le chef de l'équipe qui a conçu et construit IOTA. "Mais si nous le développons, alors je suis sûr qu'il y aura d'autres applications."

En janvier, L'expérience OSC de l'IOTA a commencé à prendre des données. L'IOTA est soutenu par le U.S. Department of Energy Office of Science.

OSC fonctionne sur le même principe que le refroidissement stochastique conventionnel, une technologie développée par Simon van der Meer et exploitée par Carlo Rubbia pour la découverte en 1983 des bosons W et Z. Van der Meer et Rubbia ont remporté le prix Nobel de physique 1984 pour leurs travaux, qui a depuis trouvé une utilisation dans de nombreux accélérateurs de particules.

Le refroidissement stochastique permet de mesurer comment les particules d'un faisceau s'éloignent de la trajectoire souhaitée et d'appliquer des corrections pour les rapprocher les unes des autres, rendant ainsi le faisceau plus dense. La technique repose sur l'interaction entre les particules chargées et le rayonnement électromagnétique qu'elles émettent.

Lorsque les particules chargées telles que les électrons ou les protons se déplacent selon une trajectoire incurvée, ils rayonnent de l'énergie sous forme de lumière, qu'un pick-up dans l'accélérateur détecte. Chaque signal lumineux contient des informations sur la position et la vitesse moyennes d'un "groupe" de millions ou de milliards de particules.

Ensuite, un électro-aimant appelé kicker applique ce même signal sur le groupe pour corriger tout mouvement parasite, comme un joueur de football qui frappe dans un ballon pour le garder dans les limites. Chaque coup de pied rapproche la position moyenne des particules et la vitesse de la valeur souhaitée, mais les particules individuelles peuvent encore dériver. Pour corriger le mouvement des particules individuelles et créer un faisceau dense, le processus doit être répété plusieurs milliers de fois pendant que le faisceau circule dans l'accélérateur.

Le refroidissement stochastique traditionnel utilise des signaux électromagnétiques dans la gamme des micro-ondes, avec des longueurs d'onde centimétriques. OSC utilise la lumière visible et infrarouge, avec des longueurs d'onde autour d'un micron - un millionième de mètre.

"L'échelle est fixée par la longueur d'onde, " a déclaré Valishev. " Les longueurs d'onde plus courtes signifient que nous pouvons lire les informations du faisceau avec une résolution plus élevée et de meilleures corrections précises. "

La résolution plus élevée permet à OSC de fournir des coups de pied plus précis à de plus petits groupes de particules. Les petits groupes de particules nécessitent moins de coups pour refroidir, tout comme un petit ballon refroidit plus rapidement qu'un gros lorsqu'il est mis au congélateur. Chaque particule reçoit un coup de pied par tour autour de l'accélérateur. Étant donné que moins de coups de pied sont nécessaires, le faisceau entier se refroidit après moins de tours.

En principe, L'OSC pourrait accélérer le refroidissement du faisceau d'un facteur 10, 000 par rapport au refroidissement stochastique conventionnel. La première expérience de démonstration à l'IOTA, qui utilise un faisceau d'électrons de moyenne énergie, a un objectif plus modeste. Comme le faisceau circule dans l'accélérateur et émet de la lumière, il perd de l'énergie, refroidissement tout seul en environ 1 seconde; IOTA cherche à décupler ce temps de refroidissement.

Les propositions d'OSC ont suscité l'intérêt de la communauté des accélérateurs dès les années 1990, mais jusqu'à présent, une mise en œuvre réussie a échappé aux chercheurs. L'exploitation de longueurs d'onde de lumière plus courtes soulève de nombreux défis techniques.

"Les positions relatives de tous les éléments pertinents doivent être contrôlées au niveau d'un quart de longueur d'onde ou mieux, " dit Valishev. " En plus de cela, vous devez lire le paquet d'ondes du faisceau, et puis il faut le transporter, l'amplifier, puis appliquez-le de nouveau sur le même faisceau. De nouveau, tout doit être fait avec cette précision extrême."

IOTA s'est avéré l'accélérateur parfait pour le travail. La pièce maîtresse de l'installation scientifique et technologique de l'accélérateur Fermilab, IOTA a une conception flexible qui permet aux chercheurs d'adapter les composants de la ligne de lumière alors qu'ils repoussent les frontières de la science des accélérateurs.

L'expérience OSC de l'IOTA commence avec les électrons, car ces particules légères peuvent être accélérées facilement et à moindre coût jusqu'aux vitesses auxquelles elles émettent de la lumière visible et infrarouge. À l'avenir, les scientifiques espèrent appliquer la technique aux protons. En raison de leur masse plus importante, les protons doivent atteindre des énergies plus élevées pour émettre la lumière désirée, les rendant plus difficiles à manipuler.

En premier, IOTA étudiera le refroidissement passif, dans lequel la lumière émise par le faisceau d'électrons ne sera pas amplifiée avant d'être renvoyée sur le faisceau. Une fois cette approche simplifiée réussie, l'équipe ajoutera des amplificateurs optiques pour renforcer la lumière qui fournit les coups de pied correctifs.

En plus de fournir une nouvelle technologie de refroidissement pour les collisionneurs de particules à haute énergie, L'OSC pourrait améliorer l'étude de l'électrodynamique fondamentale et des interactions entre les électrons et les photons.

"Le refroidissement stochastique optique est un mélange de divers domaines de la physique expérimentale moderne, des accélérateurs et faisceaux à l'optique lumineuse, tous fusionnés dans un seul paquet, " Valishev a déclaré. "Cela rend le travail très difficile et aussi très stimulant."