Laboratori demonstron me sukses teknikën e re për të përmirësuar rrezet e grimcave

Fizikantët duan të thyejnë grimcat së bashku dhe të studiojnë kaosin që rezulton. Këtu qëndron zbulimi i grimcave të reja dhe fizikës së çuditshme, të krijuara për fraksione të vogla të sekondës dhe rikrijimit të kushteve që shpesh nuk shihen në universin tonë për miliarda vjet. Por që magjia të ndodhë, së pari duhet të përplasen dy rreze grimcash.

Studiuesit në Laboratorin Kombëtar të Përshpejtuesit Fermi të Departamentit të Energjisë të SHBA-së kanë njoftuar demonstrimin e parë të suksesshëm të një teknike të re që përmirëson rrezet e grimcave. Ky demonstrim mund të përdoret në përshpejtuesit e ardhshëm të grimcave për të përdorur potencialisht metodën për të krijuar rreze më të mira, më të dendura të grimcave, duke rritur numrin e përplasjeve dhe duke u dhënë studiuesve një shans më të mirë për të eksploruar fenomene të rralla të fizikës që na ndihmojnë të kuptojmë universin tonë. Ekipi publikoi gjetjet e tij në një botim të fundit të Nature.

Rrezet e grimcave përbëhen nga miliarda grimca që udhëtojnë së bashku në grupe të quajtura tufa. Kondensimi i grimcave në secilën rreze në mënyrë që ato të jenë të paketuara ngushtë njëra-tjetrës e bën më të mundshëm që grimcat në tufat që përplasen të ndërveprojnë – në të njëjtën mënyrë që shumë njerëz që përpiqen të kalojnë një portë në të njëjtën kohë kanë më shumë gjasa të shtyjnë njëri-tjetrin sesa kur ecin nëpër një dhomë e hapur.

Paketimi i grimcave së bashku në një rreze kërkon diçka të ngjashme me atë që ndodh kur vendosni një tullumbace të fryrë në një frigorifer. Ftohja e gazit në tullumbace redukton lëvizjen e rastësishme të molekulave dhe bën që baloni të tkurret. “Ftohja” e një rreze redukton lëvizjen e rastësishme të grimcave dhe e bën rrezen më të ngushtë dhe më të dendur.

Në Fermilab, shkencëtarët përdorën unazën më të re të ruajtjes së laboratorit, Përshpejtuesin e Testimit të Optikës Integrable, të njohur si IOTA, për të demonstruar dhe eksploruar një lloj të ri teknologjie të ftohjes së rrezeve me potencialin për të shpejtuar në mënyrë dramatike atë proces ftohjeje.

“IOTA u ndërtua si një makinë fleksibël për kërkimin dhe zhvillimin në shkencën dhe teknologjinë e përshpejtuesve,” tha Jonathan Jarvis, një shkencëtar në Fermilab. “Ky fleksibilitet na lejon të rikonfigurojmë shpejt unazën e ruajtjes për t’u fokusuar në mundësi të ndryshme me ndikim të lartë. Kjo është pikërisht ajo që kemi bërë me këtë teknikë të re ftohjeje.”

Teknika e re quhet ftohje stokastike optike dhe ky sistem ftohje mat sesi grimcat në një rreze largohen nga kursi i tyre ideal duke përdorur një konfigurim të veçantë magnetësh, lentesh dhe optike të tjera për të dhënë shtytje korrigjuese.

Ky lloj sistemi ftohës mat se si grimcat në një rreze largohen nga kursi i tyre ideal dhe më pas përdor një konfigurim të veçantë magnetesh, lentesh dhe optike të tjera për të dhënë shtytje korrigjuese. Ajo funksionon për shkak të një veçorie të veçantë të grimcave të ngarkuara si elektronet dhe protonet: Ndërsa grimcat lëvizin përgjatë një rruge të lakuar, ato rrezatojnë energji në formën e pulseve të dritës, duke dhënë informacion për pozicionin dhe shpejtësinë e secilës grimcë në tufë. Sistemi i ftohjes së rrezeve mund të mbledhë këtë informacion dhe të përdorë një pajisje të quajtur magnet kicker për t’i kthyer ato në vijë.

Ftohja konvencionale stokastike, e cila i dha shpikësit të saj, Simon van der Meer, një pjesë të çmimit Nobel të 1984, funksionon duke përdorur dritën në rrezen e mikrovalëve me gjatësi vale prej disa centimetrash. Në të kundërt, ftohja stokastike optike përdor dritën e dukshme dhe infra të kuqe, të cilat kanë gjatësi vale rreth një e milionta e metrit. Gjatësia e valës më e shkurtër do të thotë që shkencëtarët mund të ndiejnë më saktë aktivitetin e grimcave dhe të bëjnë korrigjime më të sakta.

Për të përgatitur një rreze grimcash për eksperimente, operatorët e përshpejtuesit e dërgojnë atë në disa kalime përmes sistemit të ftohjes. Rezolucioni i përmirësuar i ftohjes stokastike optike siguron goditje më të sakta në grupe më të vogla grimcash, kështu që nevojiten më pak xhiro rreth unazës së ruajtjes. Me ftohjen më të shpejtë të rrezes, studiuesit mund të shpenzojnë më shumë kohë duke përdorur ato grimca për të prodhuar të dhëna eksperimentale.

Ftohja gjithashtu ndihmon në ruajtjen e rrezeve duke mbretëruar vazhdimisht në grimcat ndërsa ato kërcejnë nga njëra-tjetra. Në parim, ftohja stokastike optike mund të përmirësojë shkallën e ftohjes moderne deri në një faktor prej 10,000.

Ky demonstrim i parë në IOTA përdori një rreze elektronike me energji të mesme dhe një konfigurim të quajtur “ftohje pasive”, e cila nuk përforcon pulset e dritës nga grimcat. Ekipi vëzhgoi me sukses efektin dhe arriti një rritje rreth dhjetëfish të shkallës së ftohjes në krahasim me “zbutjen e rrezatimit” natyror që rrezja përjeton në IOTA. Ata ishin gjithashtu në gjendje të kontrollonin nëse rrezja ftohet në një, dy ose të tre dimensionet. Së fundi, përveç ftohjes së rrezeve me miliona grimca, shkencëtarët kryen edhe eksperimente duke studiuar ftohjen e një elektroni të vetëm të ruajtur në përshpejtues.

“Është emocionuese sepse kjo është teknika e parë e ftohjes e demonstruar në regjimin optik, dhe ky eksperiment na lejon të studiojmë më së shumti fizikën thelbësore të procesit të ftohjes,” tha Jarvis. “Ne kemi mësuar tashmë shumë dhe tani mund të shtojmë një shtresë tjetër në eksperiment që na afron dukshëm me aplikacionet reale.”

Me eksperimentin fillestar të përfunduar, ekipi shkencor po zhvillon një sistem të përmirësuar në IOTA që do të jetë çelësi për avancimin e teknologjisë. Ai do të përdorë një përforcues optik për të forcuar dritën nga çdo grimcë me rreth 1000 dhe do të zbatojë mësimin e makinerive për të shtuar fleksibilitet në sistem.

“Përfundimisht, ne do të eksplorojmë një sërë mënyrash për të aplikuar këtë teknikë të re në përplasësit e grimcave dhe më gjerë,” tha Jarvis. “Ne mendojmë se është shumë mirë.”