คานอนุภาคให้เย็นลงเพื่อศึกษาหัวข้อในฟิสิกส์

เครื่องเร่งอนุภาคเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้ ซึ่งมีส่วนช่วยในการค้นพบใหม่ๆ ในด้านต่างๆ เช่น วัสดุศาสตร์ นิวเคลียร์ฟิวชัน การแพทย์ และอื่นๆ อีกมากมาย แต่สาขาที่สำคัญที่สุดที่ใช้คือฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐานและอันตรกิริยาพื้นฐาน

นักวิทยาศาสตร์สำรวจโลกของอะตอมด้วยการทุบลำแสงของอนุภาคเข้าด้วยกันในเครื่องเร่งความเร็ว และความสำเร็จของการทดลองขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของลำแสงเหล่านี้

ในการศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature ทีมนักวิจัยจาก Fermi National Accelerator Laboratory ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ รายงานการสาธิตครั้งแรกของเทคนิคที่ปรับปรุงคุณภาพของลำแสง ซึ่งหวังว่าจะทำให้ศึกษาปรากฏการณ์ทางกายภาพที่สำคัญและแตกต่างได้ง่ายขึ้น

โจนาธาน จาร์วิส นักวิทยาศาสตร์จาก Fermi National Accelerator กล่าวว่า “หากในที่สุดเทคนิคนี้สามารถนำไปใช้ในการชนกันของอนุภาคได้ เครื่องจักรเหล่านั้นก็จะสามารถสร้างข้อมูลการชนที่นำไปสู่การค้นพบและความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นในฟิสิกส์พลังงานสูงและนิวเคลียร์” ห้องปฏิบัติการและหนึ่งในผู้เขียนนำของการศึกษาในอีเมล

ลำอนุภาคระบายความร้อน

เมื่อลำแสงของอนุภาคชนกันด้วยความเร็วเกือบเท่ากับความเร็วแสง พวกมันจะกระจายหรือทำลายล้าง ทำให้เกิดอนุภาคใหม่ อัตราของกระบวนการเหล่านี้ อนุภาคที่เกิด พลังงานของพวกมัน และมุมที่พวกมันออกจากพื้นที่การชน ตัวแปรทั้งหมดเหล่านี้เข้ารหัสข้อมูลเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์พื้นฐานที่นักฟิสิกส์สนใจ

ไดนามิกส์ของอนุภาคมูลฐานขึ้นอยู่กับกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเป็นกฎที่มีความน่าจะเป็น ดังนั้น ผลลัพธ์ของการโต้ตอบของอนุภาคแต่ละครั้งจึงมีความเป็นไปได้ที่จะเกิดขึ้น ผลลัพธ์ที่น่าสนใจบางอย่างหาได้ยากมาก ดังนั้นในการสังเกตและศึกษาผลลัพธ์เหล่านี้ อาจจำเป็นต้องเพิ่มจำนวนการชนกันให้ได้มากที่สุด

แต่มีปัญหาเกิดขึ้น: ความเร็วของอนุภาคในลำแสงจะแตกต่างกันเล็กน้อยเสมอ ทำให้ลำแสง “กระจาย” และลดความหนาแน่นลง สิ่งนี้จะลดความน่าจะเป็นที่เหตุการณ์ที่ต้องการจะถูกสังเกต

มีหลายวิธีในการลดการแพร่กระจายของความเร็วอนุภาคในลำแสง — หรือที่เรียกว่าการทำให้เย็นลงของลำแสง ลำแสงบางส่วนจะเย็นลงตามธรรมชาติเมื่อปล่อยรังสีออกมาในเครื่องเร่งอนุภาค แต่สิ่งนี้ขึ้นอยู่กับมวลและพลังงานของอนุภาคอย่างมาก เมื่อการแผ่รังสีนี้ไม่เพียงพอ นักวิทยาศาสตร์ต้องออกแบบระบบทำความเย็นโดยอาศัยกลไกอื่นๆ ซึ่งเทคนิคที่มีชื่อเสียงที่สุดคือเทคนิคที่ได้รับรางวัลโนเบลที่เรียกว่า Stochastic Cooling

การทำความเย็นประเภทนี้ขึ้นอยู่กับการตรวจจับพัลส์แม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากอนุภาคที่หมุนเวียน ซึ่งจะเข้ารหัสการแพร่กระจายของความเร็ว จากนั้นพัลส์เหล่านี้จะใช้กับอุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้าพิเศษเพื่อแก้ไขวิถีการเคลื่อนที่ของอนุภาค ทำให้ลำแสงหนาแน่นขึ้น

การปรับปรุงเครื่องเร่งอนุภาค

ทีมวิจัยสามารถปรับปรุงเทคโนโลยี Stochastic Cooling แบบดั้งเดิมที่พัฒนาขึ้นเมื่อหลายสิบปีที่แล้ว ซึ่งสามารถใช้การแผ่รังสีในช่วงคลื่นไมโครเวฟเท่านั้น พวกเขาขยายเทคนิคไปยังอินฟราเรดและแสงที่มองเห็นได้ด้วยความยาวคลื่นที่เล็กกว่าขนาดของลำแสงมาก ทำให้ได้รับข้อมูลที่ละเอียดมากขึ้นเกี่ยวกับการแพร่กระจายของความเร็วของอนุภาค

ข้อมูลเพิ่มเติมนี้ทำให้การระบายความร้อนของลำแสงมีประสิทธิภาพมากขึ้น เพิ่มอัตราการเย็นตัวที่ทำได้มากถึงสี่ลำดับความสำคัญ และท้ายที่สุดทำให้นักฟิสิกส์ใช้เวลามากขึ้นในการรวบรวมข้อมูลการทดลอง

“การใช้ความยาวคลื่นอินฟราเรดที่มองเห็นได้หรือช่วงใกล้อินฟราเรดหมายความว่าเราสามารถรับรู้ถึงโครงสร้างของลำอนุภาคในระดับที่ละเอียดขึ้นอย่างมาก ซึ่งดีกว่าระบบทำความเย็นแบบสุ่มทั่วไปถึง 2,000 เท่า” จาร์วิสกล่าว “ด้วยข้อมูลที่แม่นยำยิ่งขึ้น การระบายความร้อนสามารถทำได้เร็วขึ้นตามลำดับ แม้จะใช้ความยาวคลื่นที่สั้นกว่านั้นก็ยังได้ แต่การจะดึงเอาศักยภาพทั้งหมดของเทคนิคออกมาใช้นั้นจำเป็นต้องมีการขยายแสงที่ทรงพลัง และโซลูชันการขยายสัญญาณที่ดีที่สุดที่มีอยู่นั้นอยู่ในอินฟราเรดที่มองเห็นได้และอินฟราเรดใกล้”

เพื่อทดสอบเทคนิคของพวกเขา นักฟิสิกส์ใช้ Fermilab Integrable Optics Test Accelerator (IOTA) ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 40 เมตร ซึ่งเล็กกว่าเครื่องเร่งอนุภาคทั่วไปมาก แต่เทคโนโลยีนี้ทำให้การทดสอบมีความซับซ้อนน้อยลงและมีราคาแพง

“ก่อนหน้านี้มีข้อเสนอให้สาธิต [การระบายความร้อนด้วยแสงแบบสุ่ม] ในทั้งโปรตอนและอิเล็กตรอน [เครื่องเร่งความเร็ว] แต่ความท้าทายด้านต้นทุนและเทคนิคต่างๆ ทำให้ความพยายามเหล่านั้นไม่เกิดขึ้นจริง” จาร์วิสกล่าว “ความยืดหยุ่นและประสิทธิภาพของ IOTA ทำให้สามารถสาธิตได้อย่างคุ้มค่าโดยมีความเปรียบต่างที่ยอดเยี่ยมเมื่อเทียบกับเอฟเฟกต์ทางฟิสิกส์อื่นๆ เราจำเป็นต้องเห็นการสาธิตที่ชัดเจนและน่าสนใจของฟิสิกส์ของ [การระบายความร้อนด้วยแสงแบบสุ่ม] เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีเรื่องน่าประหลาดใจใดๆ ก่อนที่จะนำเทคโนโลยีไปใช้ในขนาดและต้นทุนที่มากขึ้น”

การทดลองเริ่มต้นเหล่านี้ไม่ได้พยายามขยายพัลส์แสง อย่างไรก็ตาม เมื่อเทียบกับการลดการแผ่รังสีเพียงอย่างเดียว อัตราการเย็นตัวจะสูงขึ้นเป็นลำดับ ซึ่งสอดคล้องกับการลดเวลาในการเตรียมลำแสงที่เหมาะสม ซึ่งบ่งชี้ถึงคำมั่นสัญญาของเทคนิคที่นำเสนอ

เมื่อการวิจัยเสร็จสิ้นลง นักฟิสิกส์กำลังดำเนินการปรับปรุงระบบระบายความร้อนที่ IOTA เพื่อให้เทคโนโลยีสมบูรณ์แบบ ในอนาคต จะขยายสัญญาณแสงจากแต่ละอนุภาคในลำแสงประมาณ 1,000 เท่า และใช้การเรียนรู้ของเครื่องเพื่อเพิ่มความยืดหยุ่นให้กับระบบและเพิ่มความไว

“นอกเหนือจากการระบายความร้อนแล้ว เรายังทำงานเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีให้เป็นเครื่องมือทั่วไปที่สามารถให้นักออกแบบและผู้ควบคุม [ตัวเร่งความเร็ว] มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในการส่งมอบเงื่อนไขลำแสงเฉพาะสำหรับผู้ใช้ทางวิทยาศาสตร์” จาร์วิสสรุป

ลำอนุภาคระบายความร้อน

สำหรับการทดลองกับอนุภาคที่มีประจุเร็วในวงแหวนกักเก็บ เทคนิคสำหรับการระบายความร้อนด้วยลำแสงได้รับการพัฒนามากว่าสองทศวรรษ Stochastic cooling มีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับลำแสงร้อน มีความก้าวหน้าอย่างมากในการประยุกต์ใช้กับแอนติโปรตอน นอกจากนี้ยังมีความสำคัญต่อการสะสมลำแสงไอโซโทปที่หายากอย่างรวดเร็ว การระบายความร้อนด้วยอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นประโยชน์มากที่สุดสำหรับไอออนที่มีประจุสูง เป็นเทคนิคที่เชื่อถือได้สำหรับพลังงานที่ต่ำกว่า มันสามารถสร้างลำแสงที่มีความหนาแน่นของเฟสสเปซที่พิเศษได้ แม้กระทั่งการเข้าสู่โหมดการสั่งปรากฏการณ์ การระบายความร้อนด้วยเลเซอร์มีประโยชน์เมื่อลำแสงต้องถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิตามยาวสูงสุด แต่ไม่สามารถระบายความร้อนตามขวางโดยตรงได้ บทนำและคำอธิบายของความก้าวหน้าล่าสุดในการทำให้เย็นลงของอนุภาคอย่างรวดเร็ว

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ ningyo-case.com