作者斯科特·赫什伯格，费米国家加速器实验室 费米实验室的光学随机冷却实验现在正在40米圆周可积光学测试加速器上进行，这是一个多功能的粒子存储环，旨在追求加速器科学的创新
荣誉:朱利奥·斯坦卡里，费米实验室 在研究人员能够粉碎粒子束以研究高能粒子相互作用之前，他们需要在粒子加速器中产生这些粒子束
粒子在光束中聚集得越紧密，科学家发现罕见物理现象的机会就越大
让粒子束变得更密集或更明亮，就像在冰箱里放一个膨胀的气球
正如减少气球内气体分子的随机运动会导致气球收缩一样，减少粒子在光束中的随机运动会使光束更密集
但是物理学家没有接近光速的粒子冷冻机——所以他们设计了其他聪明的方法来冷却光束
费米实验室的可集成光学测试加速器正在进行一项实验，试图首次演示光学随机冷却，这是一种新的光束冷却技术，有可能显著加快冷却过程
如果成功，这项技术将使未来的实验能够产生更亮的带电粒子束，并研究以前无法进入的物理学
费米实验室科学家亚历山大·瓦利舍夫是设计和建造IOTA团队的负责人，他说:“目前还没有冷却质子的技术，只有这个范围的能量——大约10到1000千兆电子伏——可以应用光学随机冷却。”
“但是如果我们开发它，那么我肯定会有其他的应用
" 今年1月，IOTA的OSC实验开始采集数据
IOTA得到了美国的支持
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能源部科学办公室
OSC的工作原理与传统的随机冷却相同，后者是由西蒙·范·德·梅尔开发的技术，并由卡罗·鲁比亚在1983年发现了W玻色子和Z玻色子
范德梅尔和鲁比亚因为他们的工作获得了1984年的诺贝尔物理学奖，此后这种工作在许多粒子加速器中得到了应用
随机冷却提供了一种方法来测量粒子束中的粒子如何远离期望的轨迹，并应用校正来使它们更靠近，从而使粒子束更密集
这项技术依赖于带电粒子和它们发出的电磁辐射之间的相互作用
当电子或质子等带电粒子沿弯曲路径运动时，它们会以光的形式辐射能量，加速器中的传感器会检测到这种辐射
每个光信号都包含了数百万或数十亿个粒子“束”的平均位置和速度的信息
然后，一种叫做踢球器的电磁装置将同样的信号应用到球串上，以纠正任何偏离的运动，就像足球运动员踢球以保持球在界内一样
每次反冲都会使平均粒子位置和速度更接近期望值，但单个粒子仍会漂移
为了校正单个粒子的运动并产生密集的粒子束，当粒子束在加速器中循环时，这个过程必须重复数千次
传统的随机冷却使用微波范围内的电磁信号，波长长达厘米
振荡器使用可见光和红外光，波长约为一微米——百万分之一米
“尺度是由波长决定的，”瓦利舍夫说
“更短的波长意味着我们能够以更高的分辨率读取光束信息，并更精确地进行校正
" 更高的分辨率允许OSC向更小的粒子组提供更精确的踢击
较小的颗粒群需要较少的推力来冷却，就像一个小气球放在冰箱里比一个大气球冷却得更快一样
每个粒子在加速器周围每圈被踢一次
由于需要更少的踢腿，所以在更少的圈数后，整个横梁会冷却
原则上，与传统的随机冷却相比，振荡冷却可以将光束冷却速度提高10，000倍
IOTA的第一个演示实验使用了中能电子束，有一个更温和的目标
当光束在加速器中循环并辐射光线时，它失去能量，在大约1秒钟内自行冷却；IOTA寻求将冷却时间减少10倍
早在20世纪90年代，关于开放源码软件的提议就引起了加速器界的兴趣，但迄今为止，研究者们还没有成功实现
利用较短波长的光带来了一系列技术挑战
“所有相关元素的相对位置需要控制在四分之一波长或更高的水平，”瓦利舍夫说
“除此之外，你必须从波束中读取波包，然后你必须传输它，放大它，然后把它应用到同一个波束上
同样，一切都必须极其精确地完成
" IOTA证明是这项工作的完美加速器
作为费米实验室加速器科学与技术设施的核心，IOTA具有灵活的设计，允许研究人员在推进加速器科学前沿时定制束线中的组件
IOTA的OSC实验是从电子开始的，因为这些重量轻的粒子可以很容易且便宜地加速到它们辐射可见光和红外光的速度
未来，科学家希望将这项技术应用于质子
由于质量较大，质子必须达到更高的能量才能辐射出所需的光，这使得它们更难处理
首先，IOTA将研究被动冷却，在被动冷却中，电子束发出的光在照射到光束上之前不会被放大
在这种简化的方法成功后，该团队将添加光学放大器来增强光线，从而提供正确的刺激
除了为高能粒子对撞机提供一种新的冷却技术之外，振荡电路还可以加强基础电动力学以及电子和光子之间相互作用的研究
“光学随机冷却是现代实验物理各个领域的融合，从加速器和光束到光学，所有这些都融合在一个包里，”瓦利舍夫说
“这使得这项工作极具挑战性，也非常刺激
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