Физики реализовали оптическое стохастическое охлаждение пучков частиц

Американские физики сообщили о том, что им впервые удалось реализовать оптическое стохастическое охлаждение пучков заряженных частиц. Этот тип охлаждения заключается в гашении импульсных флуктуаций за счет системы обратной связи. В новой работе эта связь происходила на оптических частотах, что необходимо для повышения эффективности и скорости охлаждения на ускорителях и синхротронах. Исследование опубликовано в Nature.

Львиная доля открытий в фундаментальной доле сделана с помощью пучков элементарных частиц и ионов, разогнанных до высоких скоростей. Чаще всего пучки либо сталкивают между собой в линейных и кольцевых ускорителях, либо заставляют бегать по кругу для генерации синхротронного излучения. В тех из приложений, где частицы путешествуют по кольцевой траектории, их охлаждение — это обязательная и неотъемлемая часть установки. Под охлаждением пучков быстро летящих частиц понимается сокращение объема в шестимерном фазовом пространстве, который занимают все частицы. Проще говоря, перед физиками стоит задача уменьшения разброса по импульсам и по координатам частиц относительно некоторых желательных значений.

Среди множества методов пучкового охлаждения выделяется стохастическое охлаждение. Его суть заключается в подавлении отдельных флуктуаций с помощью системы обратной связи (пикап), которая в нужный момент активирует дополнительное электромагнитное воздействие (кикер), сужающее пучок. Этот метод хорошо показал себя при работе с протонными и антипротонными пучками, а его изобретение было отмечено Нобелевской премией по физике за 1984 год.

Частота, с которой срабатывает система, пропорциональная количеству частиц в пучке. Кроме того, эта частота определяет скорость охлаждения, которую желательно увеличить. Сейчас стохастическое охлаждение работает на гигагерцовых частотах, однако грядущие эксперименты потребуют более эффективного охлаждения. Для решения этой проблемы почти 30 лет назад было предложено оптическое стохастическое охлаждение, в котором полосу пропускания предлагалось поднять до 10¹³ герц, что способно ускорить охлаждение на 3-4 порядка, однако до недавнего времени никому не удавалось реализовать этот подход на практике.

Впервые с этим справились американские физики под руководством Джонатана Джарвиса (Jonathan Jarvis) и Валерия Лебедева (Valery Lebedev) из Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми. В использованной ими схеме частицы, пролетая через входной пикап-ондулятор, стимулируют излучение оптического импульса, который меняет их скорость в выходном кикер-ондуляторе. Сами же частицы летят через систему магнитов, которая подстраивает их задержку в зависимости от того, насколько их импульс больше или меньше импульса референтной частицы. Важную роль при этом играет точная настройка задержки оптического импульса: при оптимальных условиях быстрые частицы теряют энергию, а медленные приобретают (относительно общих потерь на синхротронное излучение). Однако увеличение или уменьшение задержки на половину длины волны разворачивает эффект и переводит схему в режим нагревания.

Для реализации этой идеи ученые встроили новую систему в Ускоритель для испытаний интегрируемой оптики (IOTA) — 40-метровое кольцо для хранения электронов и протонов, расположенное в Фермилабе. В роли пикапа и кикера выступали два одинаковых ондулятора длиной 4,84 сантиметра и с числом периодов, равным 16. Для частиц с энергией 100 мегаэлектронвольт генерировалось излучение на длине волны 950 нанометров, которое проходило через систему задержки, менявшей оптический путь в пределах 0,1 миллиметра с шагом 10 нанометров.

Для контроля свойств пучка физики использовали мониторы положения луча, детекторы синхротронного излучения и электронно-оптическую камеру. Это позволило им подробно изучить, как охлаждается или нагревается пучок по мере приближения задержки к оптимальному. Авторы убедились, что его размер во всех трех направлениях осциллирует по мере роста задержки, что означает колебания между режимами нагрева и охлаждения, а общее число периодов примерно равно удвоенному числу периодов ондуляторов, что согласуется с симуляциями.

Авторы детальнее изучили работу установки в оптимальном режиме. В частности, они выяснили, что разброс частиц уменьшается по-разному, в зависимости от направления. Так, продольный разброс уменьшился более, чем в два раза, в то время как поперечное уменьшение произошло лишь на треть. Кроме того, различались скорости охлаждения: продольное охлаждение происходило почти в три раза быстрее, чем поперечное, хотя теория предсказывает их равенство. Суммарно оптическое стохастическое охлаждение имело скорость 9,2 обратной секунды, что на порядок больше, чем продольное охлаждение за счет синхротронного излучения.

Принципы оптического стохастического охлаждения схожи с принципами лазерного охлаждения. Там длина волны излучения подстраивается таким образом, чтобы поглощение фотона сопровождалось торможением или ускорением ионов. Для этого физики точно измеряют частоты переходов у ионов, разогнанных в накопительных кольцах до релятивистских скоростей.

Марат Хамадеев