El enfriamiento estocástico es una forma de enfriamiento de haces de partículas . [1] Se utiliza en algunos aceleradores de partículas y anillos de almacenamiento para controlar la emisión de los haces de partículas en la máquina. Este proceso utiliza las señales eléctricas que generan las partículas cargadas individuales en un bucle de retroalimentación para reducir la tendencia de las partículas individuales a alejarse de las otras partículas en el haz.
La técnica fue inventada y aplicada en los Anillos de Almacenamiento Intersecantes , [2] y más tarde en el Super Sincrotrón de Protones (SPS), en el CERN en Ginebra, Suiza , por Simon van der Meer , [3] un físico de los Países Bajos . Se utilizó para recolectar y enfriar antiprotones : estas partículas se inyectaron en el Colisionador de Protones-Antiprotones , una modificación del SPS, con protones contrarrotativos y colisionaron en un experimento de física de partículas . Por este trabajo, van der Meer fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1984. Compartió este premio con Carlo Rubbia de Italia , quien propuso el Colisionador de Protones-Antiprotones . Este experimento descubrió los bosones W y Z , partículas fundamentales que transportan la fuerza nuclear débil .
Antes del apagado del Tevatron el 30 de septiembre de 2011, [4] el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi utilizó enfriamiento estocástico en su fuente de antiprotones. [5] Los antiprotones acumulados fueron enviados al Tevatron para colisionar con protones en dos puntos de colisión: el CDF y el experimento D0 .
Se intentó el enfriamiento estocástico en el Tevatron en Fermilab, pero no fue del todo exitoso. El equipo se transfirió posteriormente al Laboratorio Nacional de Brookhaven , donde se utilizó con éxito en un sistema de enfriamiento longitudinal en RHIC , [6] que se utilizó operativamente a partir de 2006. Desde 2012, RHIC cuenta con enfriamiento estocástico operativo 3D, [7] es decir, enfría los planos horizontal, vertical y longitudinal.
El enfriamiento estocástico utiliza las señales eléctricas producidas por partículas individuales en un grupo de partículas (llamado "grupo" de partículas) para impulsar un dispositivo electromagnético, generalmente un pateador eléctrico, que pateará al grupo de partículas para reducir el momento desviado de esa partícula. Estos pateos individuales se aplican de forma continua y durante un tiempo prolongado, la tendencia promedio de las partículas a tener momentos desviados se reduce. Estos tiempos de enfriamiento varían de un segundo a varios minutos, dependiendo de la profundidad del enfriamiento que se requiera.
El enfriamiento estocástico se utiliza para reducir la distribución del momento transversal dentro de un grupo de partículas cargadas en un anillo de almacenamiento detectando fluctuaciones en el momento de los grupos y aplicando una corrección (un "pulso de dirección" o "patada"). Esta es una aplicación de retroalimentación negativa . Esto se conoce como "enfriamiento", ya que la energía cinética de las partículas está relacionada con su temperatura interna : cuanto más rápido se mueven las partículas, mayor es la temperatura. Si se restara el momento promedio del grupo del momento de cada partícula, entonces las partículas cargadas parecerían moverse aleatoriamente, de manera muy similar a las moléculas en un gas.
Las partículas cargadas viajan en grupos dentro de pozos de potencial que las mantienen estables. Si bien el movimiento general del grupo se puede amortiguar (reducir) utilizando radiofrecuencia estándar , no es posible amortiguar la distribución del momento interno de cada grupo. Esto se puede lograr mediante enfriamiento estocástico, que tiene como objetivo reducir la velocidad de las partículas individuales dentro de cada grupo utilizando radiación electromagnética .
Los haces pasan a través de un escáner óptico de banda ancha, que detecta la posición de las partículas individuales. En un sincrotrón , el movimiento transversal de las partículas se puede amortiguar fácilmente mediante radiación de sincrotrón , que tiene una longitud de pulso corta y cubre un amplio rango de frecuencias, pero el movimiento longitudinal (hacia adelante y hacia atrás) requiere otros dispositivos, como un láser de electrones libres . Para lograr el enfriamiento, la información de posición se retroalimenta a los haces de partículas (utilizando, por ejemplo, un imán de impulso rápido), lo que produce un bucle de retroalimentación negativa que estabiliza su movimiento.
Los haces se enfocan a través de un pequeño orificio entre la estructura de los electrodos, de modo que los dispositivos tienen acceso al campo cercano de la radiación. Además, se mide la corriente que incide sobre el electrodo y, en función de esta información, los electrodos se centran en el haz y se mueven juntos mientras el haz se enfría y se hace más pequeño.
La palabra “estocástico” en el título se debe a que, por lo general, solo se puede abordar de forma inequívoca algunas de las partículas a la vez. En cambio, se abordan pequeños grupos de partículas dentro de cada grupo y el ajuste o impulso se aplica al momento promedio de cada grupo. Por lo tanto, no se pueden enfriar todas a la vez, sino que se requieren varios pasos. Cuanto más pequeño sea el grupo de partículas que se pueden detectar y ajustar a la vez (lo que requiere un mayor ancho de banda), más rápido será el enfriamiento.
Como las partículas del anillo de almacenamiento viajan a una velocidad cercana a la de la luz, el bucle de retroalimentación, en general, tiene que esperar hasta que el grupo regrese para realizar la corrección. El detector y el activador pueden colocarse en diferentes posiciones en el anillo con demoras elegidas apropiadamente para que coincidan con las frecuencias propias del anillo.
El enfriamiento es más eficiente para haces largos, ya que la distancia entre las partículas es mayor. Lo óptimo es que los haces sean lo más cortos posible en los aceleradores del anillo y lo más largos posible en los enfriadores. Los dispositivos que hacen esto se denominan intuitivamente estiradores , compresores , apiladores y desapiladores. (Los enlaces apuntan a los dispositivos equivalentes para pulsos de luz, por lo que tenga en cuenta que los prismas en el enlace se reemplazan funcionalmente por imanes dipolares en un acelerador de partículas).
En los anillos de baja energía, los haces de electrones se pueden superponer con haces de electrones recién creados y, por lo tanto, fríos (1000 K) de un acelerador lineal . Esto es un acoplamiento directo a un baño de temperatura más baja, que también enfría el haz. Posteriormente, los electrones también se pueden analizar y aplicar un enfriamiento estocástico.
Aunque el enfriamiento estocástico ha tenido mucho éxito, su aplicación se limita a haces con un número bajo de partículas por haz. El enfriamiento estocástico óptico (OSC) se propuso en 1993 para aumentar el ancho de banda de enfriamiento. [8] Al utilizar longitudes de onda visibles en lugar de longitudes de onda de microondas, el OSC promete un aumento de 4 órdenes de magnitud en el ancho de banda de enfriamiento con respecto al enfriamiento estocástico. En el OSC de tiempo de tránsito, desarrollado en 1994, una partícula produce primero un paquete de ondas en un "ondulador de captación" ("PU"). [9] El paquete de ondas y la partícula se transportan por separado a un "ondulador de impulso" ("KU") aguas abajo. Aquí, el paquete de ondas se utiliza para devolver un impulso de energía correctiva a la partícula. El signo y la magnitud del impulso de energía dependen de los tiempos de llegada relativos de la partícula y el paquete de ondas. Las trayectorias de la luz y la partícula deben ajustarse de modo que la partícula de referencia no sea impulsada.
En agosto de 2022 se demostró por primera vez el enfriamiento estocástico óptico en Fermilab [10] [11]