近一个世纪以来，加速器科学和技术领域的进步推动了基于加速器科学的新前沿。Fermilab的一组研究人员一直在研究这一领域，以开发用于粒子束冷却和控制的下一代概念和技术，而现在，这项工作正在加速进行认真的扩展。
费米国家加速器实验室的人民研究员，副科学家乔纳森·贾维斯(Jonathan Jarvis)被能源部选中，获得2020早期职业研究奖。250万美元的奖金将分五年发放。
费米实验室加速器部门负责人迈克尔·林德格伦说：“这项技术有可能在全球任何数量的粒子加速器设施中使用，并且将是加速器科学的重大进步。” “我坚信乔纳森将在美国能源部的帮助下做得非常好。”
Jarvis和他的合作者正在开发的技术基于称为光学随机冷却的概念。OSC是CERN的Simon Van der Meer发明的突破性技术-随机冷却的后代。随机冷却使1983年发现了W和Z玻色子，并迅速为Van der Meer赢得了1984年诺贝尔物理学奖。
通过冷却粒子束，物理学家可以提高粒子束的强度，也可以提高粒子的堆积密度。光束越冷，密度越大，并且为产生罕见的物理现象提供的机会就越多。
就像气体分子被困在气球中一样，粒子加速器中的光束也具有一定的温度。将气球放在冰箱内，随着气体分子随机运动的减少，气球会收缩一点。尽管没有确切的用于粒子束的冷冻器，但是加速器科学家有多种方法来减少这种随机的热运动。
随机冷却是一类技术，其中测量粒子束的结构，并将所得信息用于对粒子束进行小的校正。
贾维斯说：“想象一束只有一个粒子的光束。” “如果您可以准确地感觉到该粒子在做什么，则放大该信号，并使用它在加速器中的后续点踢该粒子，那么从原理上讲，您可以完全消除其误差。”
对于实际的粒子束(例如典型的圆形加速器中的粒子束)，情况要复杂一些，但基本原理是相同的：每次通过该系统都像在冷冻机中的另一时刻一样，从而减少了粒子的随机性。运动。
传统的随机冷却使用微波对光束进行采样和反射。这会将光束“切片”成几厘米长的碎片，其中可能包含数百万或数十亿个粒子。结果，每个粒子的微小冷却信号被掩埋在其相邻粒子的噪声中。诀窍是使光束多次通过冷却系统，使通过之间的粒子随机化，以使这些微小的信号可以累积并克服噪声。
另一方面，OSC使用可见光或红外光将光束切成几千倍的碎片，因此每个粒子包含的粒子更少。更少的颗粒意味着更少的嘈杂邻居和更少的通过冷却系统的行程。与传统的随机冷却相比，这有可能使冷却速度提高10,000倍。
自1990年代初以来，OSC就引起了加速器界的兴趣，但是从未对该概念进行过实验性演示。2017年，费米实验室建立了费米实验室加速器科学技术(FAST)设施，以解决加速器和射束物理学中的高级问题。它的核心是一个称为IOTA的电子/质子存储环，即可积光学测试加速器。IOTA的主要重点是为高强度质子加速器提供技术支持，但其灵活的设计使其成为OSC等其他高级主题的理想工具。
Jarvis说：“由于FAST-IOTA是加速器科学和技术的专用设施，因此我们在进行此类研究和开发方面处于有利位置。” “ IOTA的设计使其可以针对给定的高优先级研究目标进行快速，完整的重新配置;这正是我们现在为OSC所做的。”
在过去的几年中，贾维斯(Jarvis)和他的同事们一直在设计一种实验仪器和程序，使他们能够首次展示和探索OSC。这项基础工作即将受到考验。本月，他们将在IOTA开始一项新的科学实验，专门用于测试此原型OSC系统。
但是那只是示范。OSC仍需要各种开发，才能在其他加速器中投入运行。Jarvis的“早期职业研究”计划重点关注这些领域。一个主要要素是开发高增益光学放大器及其所需的驱动激光器，以便在进行这些校正之前，可以增强来自粒子束的光。还需要开发一种新设备来测试IOTA中OSC的这种放大版本。该计划的其他内容包括开发专门的光学器件以增强系统的性能和灵活性，并使用OSC的物理学作为检测和控制粒子束的更通用工具。
该计划还强调在研究生和博士后研究人员的资助和研究主题上的支持。
“这是培训我们领域的年轻研究人员的出色设施。我们足够大，可以从事具有高影响力的话题，但又足够小，可以让他们参与到研究的各个层面。”贾维斯说。
如果一切顺利，则未来几年内将在IOTA进行OSC放大实验，然后将该系统与机器学习技术相结合，为加速器科学家开发强大的新工具来控制和测量光束。
“从长远来看，您很少会指出特定的技术并准确地预测其收益，但是我们确实知道，基于加速器的科学一贯影响着非常广泛的领域和行业，同时也使人们深刻理解了加速器的基本知识。宇宙，”贾维斯说。“该企业的引擎一直是我们用于实现下一代加速器的技术，概念和物理。”