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Nuevo programa de investigación de aceleradores en Fermilab ve primer rayo

diciembre 5, 2018
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El 21 de agosto, un haz de electrones circuló con éxito por primera vez a través de un nuevo acelerador de partículas en el Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de EE. UU.

El hito marca el comienzo de un programa de investigación que posiciona el anillo de almacenamiento de partículas, llamado Acelerador Integral de Pruebas Ópticas, como un destacado entre los aceleradores del mundo, un innovador banco de pruebas dedicado a la ciencia de la aceleración de partículas. Una máquina de alta precisión con una configuración flexible que permitirá a los investigadores probar teorías, hacer descubrimientos y crear inventos que superen los límites de las máquinas existentes.

“Hemos construido un acelerador moderno de próxima generación para la investigación de la física del rayo que tendrá impactos en múltiples áreas de la ciencia”, dice Vladimir Shiltsev, director del Centro de Física Fermilab Accelerator. “Abre oportunidades para una nueva era de aceleradores”.

La pieza central de la instalación de ciencia y tecnología Fermilab Accelerator, IOTA enviará electrones y protones alrededor de su circunferencia de 40 metros, dando a los científicos la libertad de explorar nuevas formas de manipulación de haces de partículas que pagarán dividendos en otros campos.

Cuando los científicos de Fermilab comenzaron a planificar IOTA, hace unos 10 años, se propusieron diseñar una máquina para la exploración profunda de técnicas que pudieran avanzar en los numerosos campos científicos que dependen de los aceleradores. Se les ocurrió un anillo elegante y compacto para probar los conceptos que consideraban más importantes.

“IOTA es único en su género: un anillo de almacenamiento de partículas diseñado y construido específicamente para albergar nuevos experimentos con electrones y protones y desarrollar conceptos innovadores en la ciencia del acelerador”, dice el físico de Fermilab, Alexander Valishev, jefe del equipo que desarrolló y construyó IOTA.

Fermilab ha formado asociaciones con otras personas interesadas en avanzar en la ciencia y la tecnología de aceleradores en FAST. La instalación ya ha atraído a 29 socios institucionales, incluidas instituciones europeas, universidades estadounidenses, laboratorios nacionales y miembros de la industria.

“Estamos buscando el compromiso de una comunidad más amplia de científicos”, dice Valishev.

El logro del primer rayo es el pináculo de muchos años de ese intenso trabajo colaborativo.

“Un grupo entusiasta y altamente motivado de físicos de haz de partículas de universidades y laboratorios de todo el mundo han estado esperando la finalización de IOTA para la investigación fundamental”, dice el profesor de investigación presidente del Northern Illinois University y director de Accelerator Research Swapan Chattopadhyay, científico distinguido de Fermilab. “Felicitamos al equipo de IOTA por haber alcanzado este importante hito”.

El rayo es la cosa

Por lo general, los aceleradores que aparecen en los titulares, como el Gran Colisionador de Hadrones Grande del CERN en Europa, operan al servicio de estudios sobre las propiedades básicas de las partículas subatómicas. Al acelerar los rayos de partículas para que se acerquen a las velocidades de la luz y destrozarlos, estas máquinas exponen los componentes fundamentales de la naturaleza en los restos que quedan, permitiendo que los científicos los estudien.

IOTA es diferente. El anillo de 40 metros de circunferencia acelerará las vigas para investigar no las partículas que emergen de las colisiones sino los propios rayos. Es uno de los pocos aceleradores en el mundo para estudios de física de rayos.

Pero incluso entre este pequeño grupo, IOTA es diferente. También es el único acelerador de investigación que podrá cambiar entre haces de electrones y protones. (Se esperan los primeros rayos de protones de IOTA en 2019.)

Y mientras que muchos otros aceleradores de investigación son lineales, lo que significa que el rayo viaja por un camino recto, IOTA es un acelerador circular dedicado a estudios de haces. Esto significa que puede enviar haces alrededor de su trayectoria de 40 metros de miles a millones de veces. Con cada pase, se amplifican varios efectos de haz, lo que permite a los científicos comprender mejor cómo surgen en primer lugar. Es una forma de imitar los procesos que limitan la operación de máquinas mucho más grandes y de mayor energía, desde los aceleradores de protones Fermilab hasta el LHC y los futuros supercéluladores.

“Esta instalación ofrece una flexibilidad que puede ser útil para una comunidad más amplia, más allá de las necesidades de la física de alta energía”, dice Valishev.

Es una oportunidad que no está disponible en los aceleradores de partículas que proporcionan un haz dedicado a los experimentos de física de partículas, con operadores que no pueden darse el lujo de dedicar tiempo a la experimentación con haces disruptivos.

“Realizar estudios de física de haces en una máquina de física de partículas operacional es un desafío tremendo. Realmente no se puede complicar el entorno de fondo, las pérdidas de la viga “, dice Shiltsev, refiriéndose a los efectos del haz no deseados. “Pero los físicos del acelerador quieren meterse con las pérdidas de la viga, estudiarlas en detalle y explorar formas de suprimirlas”. Queremos impulsar esos efectos al máximo “.

Y pueden aprovechar el conocimiento que obtienen de ese límite, empujar al tablero de dibujo para mejorar el diseño de las futuras máquinas de física de partículas, y aceleradores para la vida cotidiana.

Más de 30,000 aceleradores de partículas están en operación en el mundo. La mayoría se usan en la industria y para aplicaciones amplias, como el medioambiente o la medicina. Los aceleradores para la investigación del cáncer usan rayos X generados con un pequeño acelerador de electrones en un hospital o producen isótopos médicos para obtener imágenes.

En otras palabras, las innovaciones de IOTA podrían ayudar a mejorar la salud humana.

¿Qué hay en una viga?

El rico programa de investigación de IOTA abarca toda la gama, desde la formación de haces repletos de cientos de millones o miles de millones de electrones o protones hasta el examen de haces hechos con una sola partícula. Los científicos utilizarán IOTA para explorar tecnologías de aceleración de haces múltiples, incluidas varias que se han propuesto pero nunca se han realizado.

“Con IOTA, científicos de todo el mundo podrán usar el acelerador de próxima generación para colaborar y probar ideas innovadoras, encontrando formas de alcanzar el siguiente nivel de potencia del rayo acelerador”, dice Sergei Nagaitsev, director de programas de aceleración de la ciencia de Fermilab. de los investigadores que propusieron el concepto de IOTA.

Un área que podría cambiar drásticamente el mundo de los aceleradores es la capacidad de generar haces de intensidad ultra alta.

Aproximadamente traducido, “intensidad” es la cantidad de partículas que forman un rayo. Cuantas más partículas pueda transportar una viga, más se puede romper juntas a la vez, y cuanto más se acelere la línea de tiempo para el descubrimiento. La alta intensidad es una alta prioridad para el campo de la física de partículas.

Pero sin control, un haz cada vez más intenso se vuelve cada vez más inestable y puede producir efectos no deseados, incluidos los fenómenos de pérdida de haz, en los que las partículas se separan del paquete. Eso limita el rendimiento del haz, por lo que es mucho menos útil para el descubrimiento.

“Queremos impulsar la física para hacer más, por lo que tenemos que empujar el rayo para perder menos”, dice Shiltsev. “Tener este anillo nos da la oportunidad de realmente entender cómo atacar este problema”.

Los científicos de Accelerator han propuesto varios métodos para domesticar o compensar el comportamiento ingobernable de los haces. Con IOTA, los científicos cuentan con una plataforma de alta tecnología para explorar completamente estas técnicas, incluidas varias que no pudieron ser probadas previamente. Uno de ellos usa electrones de baja energía como una especie de lente de enfoque. Otro usa instrumentos conocidos colectivamente como óptica integrable: el “IO” en IOTA.

“Estas son nuevas técnicas para el control del haz”, dice Shiltsev. “Nadie ha hecho esto antes”.

Pero “IO” es solo el comienzo.

Con IOTA, los científicos del acelerador también capitalizarán las fortalezas existentes de Fermilab en la aceleración del rayo. El enfriamiento de haz, por ejemplo, es un método para crear haces más ajustados y más ordenados, lo que facilita su manipulación y aceleración. Fermilab tiene una fuerte historia en su desarrollo. Entre 2005 y 2011, operó el enfriador de electrones de mayor energía en el mundo.

El enfoque del esfuerzo actual de enfriamiento del rayo tiene un nombre elegante: enfriamiento estocástico óptico. Sobre la base de la experiencia actual del laboratorio, los científicos de IOTA llevarán la tecnología al siguiente nivel.

“Si la tecnología tiene éxito, podría allanar el camino para colisionantes de iones de electrones en un rango de energía que actualmente no está accesible”, dice Valishev.

IOTA invita a investigar sobre otros temas tentadores. Por ejemplo, los científicos pueden usar el acelerador de prueba para sumergirse en fenómenos cuánticos poco entendidos, como la física de haces hechos de un solo electrón. Los científicos podrían saber si su comportamiento es “libro de texto o tiene alguna extrañeza adicional”, dice Shiltsev.

“Podemos llegar a la esencia de la física cuántica profunda de estos objetos. Entonces hay otras cosas agradables que podemos hacer usando experimentos únicos de IOTA en física fundamental “, dice Shiltsev.

“Mientras IOTA promete abrir nuevas perspectivas para alcanzar los haces de partículas cargadas de mayor intensidad en el futuro, permitirá, por primera vez en la historia, el control clásico de retroalimentación de un solo electrón”, dice Chattopadhyay. “Queremos entender cómo su naturaleza cuántica difumina esta partícula fundamental de punto como espacio”.

Perspectiva de IOTA

Con el primer rayo viene la satisfacción del logro y la perspectiva de hacer ciencia impactante.

“Ver el primer rayo en un acelerador de investigación es una experiencia rara en la vida de un científico o un físico acelerador, cuando sabes que has logrado algo grande, a pesar de que es solo el primer rayo”, dice Valishev. “Estoy orgulloso de nuestro equipo”.

Durante el próximo año, el equipo de Fermilab instalará el dispositivo que suministrará protones a IOTA, el inyector de protones. Una vez que esté en su lugar, completará el trío de aceleradores de partículas que componen la instalación FAST: el inyector de protones, el inyector de electrones (completado en 2017) y el anillo IOTA.

“IOTA es único, y lo que viene es años de investigación emocionante, muy interesante”, dice Shiltsev. “Esperamos ansiosamente hacerlo”.

Nota del editor: una versión de este artículo fue publicada originalmente por Fermilab.