광학 확률론적 냉각의 실험적 시연

Nature 608권, 287~292페이지(2022)이 기사 인용

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입자 가속기와 저장 링은 발견을 위한 혁신적인 도구였으며, 많은 응용 분야에서 입자 빔 냉각의 혁신이 이러한 성공의 주요 원동력이었습니다1. 이 분야에서 가장 중요한 개념 및 기술 발전 중 하나인 확률론적 냉각(SC)2,3,4,5,6은 세분화된 샘플링과 위상 공간 구조 수정을 통해 빔을 냉각하므로 '맥스웰의 악마'와 유사합니다. '. 마이크로파 영역에서 광 주파수 및 대역폭까지 SC를 확장하는 것은 달성 가능한 냉각 속도를 3~4배 증가시키고 미래의 가속기를 위한 강력한 도구를 제공할 수 있기 때문에 오랫동안 추구되어 왔습니다. 약 30년 전에 처음 제안된 광학 확률론적 냉각(OSC)은 SC의 기존 마이크로파 요소를 광주파수 아날로그로 대체하며 원칙적으로 모든 종류의 하전 입자 빔7,8과 호환됩니다. 여기에서는 Fermi National Accelerator Laboratory의 Integrable Optics Test Accelerator9,10에서 실시한 원리 증명 실험에서 OSC 시연을 설명합니다. 이 실험에서는 100-MeV 전자와 950nm의 방사선 파장을 갖는 비증폭 OSC 구성을 사용했으며 모든 자유도에서 빔의 강력한 동시 냉각을 달성했습니다. 광 주파수에서 SC를 실현하면 고이득 광 증폭을 사용하는 고급 실험의 기반이 되며 가속기 기반 과학 분야의 광범위한 사용자 커뮤니티에 잠재적인 이점을 제공하는 미래 운영 OSC 시스템에 대한 기회를 발전시킬 수 있습니다.

입자 가속기는 고에너지 물리학, 핵 물리학, 재료 과학, 핵융합, 의학 및 그 이상 분야에서 한 세기 동안 발전을 가능하게 한 귀중한 과학 도구입니다1. 많은 응용 분야에서는 고휘도 입자 빔이 필요하며, 저장 링(예: 입자 충돌기, 광원, 경이온 및 중이온 링)을 사용하는 응용 분야의 경우 빔 냉각은 가속기 설계에 없어서는 안될 요소입니다. 그리고 운영. 빔 냉각은 빔 입자가 차지하는 6차원 위상 공간 부피의 감소 또는 동등하게 빔 내의 열 운동 감소를 구성합니다. 충돌체의 경우 냉각은 빔 방출 감소를 통해 광도를 증가시키며 IBS(내부 빔 산란) 및 기타 확산 메커니즘을 방지하는 데 필수적입니다11,12. 냉각은 또한 전하 테스트, 패리티, 시간 역전(CPT) 대칭 및 중력13,14,15, 내부 목표 실험을 위한 효율적인 반수소 생산을 포함하여 원자, 입자 및 핵 물리학의 광범위한 기타 응용을 가능하게 하고 지원합니다. 공명 질량 및 폭의 정밀 측정과 상태 및 상호 작용의 정밀 측정을 위한 안정 이온종과 방사성 이온종의 생성 및 냉각을 위한 것입니다17,18.

다양한 용도별 냉각 기술이 있습니다19,20. 가장 일반적인 것 중 하나는 싱크로트론 방사(SR) 감쇠인데, 이는 굽힘 자석에서 빔의 SR 방출과 무선 주파수 가속기 공동에 의한 이 에너지 손실의 후속 보충으로 인해 발생합니다. 전자-양전자 충돌기 및 에너지 개척지에서 제안된 강입자 충돌기(예: Future Circular Collider)의 경우 SR 감쇠로 인해 적절한 냉각이 이미 존재합니다. 그러나 약 4 TeV 미만의 에너지를 갖는 강입자의 경우 충돌 에너지에서의 SR 감쇠 시간은 실제 사용하기에는 너무 길고 효과적인 냉각에는 엔지니어링 시스템이 필요합니다.

이러한 시스템의 경우 전자 냉각(EC)과 확률론적 냉각(SC)2,3,24,25,26이라는 두 가지 주요 냉각 방법 계열을 고려할 수 있습니다. EC에서는 입자가 속도 일치 저온 전자빔으로 쿨롱 산란을 통해 열화됨에 따라 강입자 빔의 온도가 감소합니다. 불행하게도 빔 에너지에 따른 EC 스케일링은 상대론적 빔의 경우 특히 불리합니다. EC는 예상 작동 상한선이 275 GeV(양성자)인 Brookhaven 국립 연구소에서 계획된 전자 이온 충돌기(EIC)에 적합할 수 있지만 이 에너지를 넘어서는 EC 시스템의 잠재력은 불확실합니다27,28.