Nature：费米实验室进行了粒子束冷却实验

图1 当光束粒子通过被称为波荡器（图中右下部分所示）的特殊磁铁时，每个粒子都会发出超快的光脉冲，光脉冲中蕴含了每个粒子能量或轨迹误差的信息；随后光脉冲被各种光学器件捕获、聚焦、调谐。之后这些粒子在同样的波荡器（图中心部分所示）内与其自己发出的脉冲相互作用，这种相互作用能冷却粒子，甚至操控粒子

物理学家喜欢使粒子发生对撞，并研究对撞之后的混乱结果。在结果中蕴含着潜在的新粒子和各类罕见的物理现象，这些结果在极短的时间内产生，重现了宇宙数十亿年前的条件。但要想得到这些神奇的结果，首先要将粒子对撞。

美国能源部费米国家加速器实验室的研究人员宣布，他们首次成功演示了一项能改善束流质量的新技术，此项技术未来有望用于新一代粒子加速器，输出质量更高、粒子密度更高的粒子束，从而增加碰撞次数，使研究人员能更好的研究罕见的物理现象，帮助人们了解宇宙。此项研究结果发表于最新一期的Nature上。

粒子束由数以亿计的粒子组成，这些粒子集结成束团运动。如果能将每个粒子束中的粒子都结合成一束、使其紧密地聚集在一起，那么这些粒子就有更大可能发生相互作用——就像许多人同时试图穿过一道门时、会比大家走过一个完全开放的房间更容易发生拥挤。

将粒子聚集在粒子束中的过程类似于将充气的气球放入冰箱，冷却气球中的气体会减少分子的随机运动，导致气球收缩；同样地，“冷却”光束将减少粒子的随机运动，使光束变窄，密度增大。

费米实验室的科学家们使用了该实验室最新的存储环——可积光学测试加速器（Integrable Optics Test Accelerator，IOTA）展示和研究了这种新的光束冷却技术，该技术有望大幅加快冷却过程。

费米实验室的科学家Jonathan Jarvis说：“IOTA最初的建设愿景是将其作为加速器科学和技术应用的灵活机器，能让我们灵活地快速重新配置存储环，以专注于不同的高影响机会。这正是我们发明的新型冷却技术的初衷。”

这项新技术被称为光学随机冷却，借由磁铁、透镜和其他光学元件组成的特殊结构，测量光束中的粒子偏离其理想轨道的程度，进而提供校正推力。

图2 光学随机冷却装置占据了IOTA直线段6米。该系统由IOTA/FAST团队和行业合作伙伴设计和建造，最近用于实现世界上首次光学随机冷却演示

这种冷却系统可以测量光束中的粒子偏离其理想轨道的程度，然后使用一种由磁铁、透镜和其他光学元件组成的特殊结构来提供校正推力。其工作原理基于电子和质子等带电粒子的一种特性：当粒子沿着弯曲的路径移动时，会以光脉冲的形式辐射出能量，其中蕴含粒子束中每个粒子位置和速度的信息。光束冷却系统可以收集这些信息，并使用一种称为冲击磁铁的设备将它们调整到理想轨道。

传统的随机冷却利用的是波长几厘米的微波，发明者Simon van der Meer因此获得了1984年诺贝尔奖。相比之下，光学随机冷却使用可见光和红外光，其波长约为百万分之一米。更短的波长意味着科学家能够更精确地感知粒子运动，并做出更精确的修正。

为准备用于实验的粒子束，加速器操作员将粒子束在冷却系统中往返多次。光学随机冷却提高了分辨率，从而为更小的粒子提供了更精确的冲击，因此所需的存储环更少。随着束流冷却加快，研究人员能够将更多时间放在使用粒子进行实验上。

当粒子相互碰撞反弹时，冷却系统通过持修正粒子轨迹、保持了光束形状。理论上说，光学随机冷却能把此前最高冷却速率提高1万倍。

IOTA的首次演示使用了一种中等能量的电子束和一种被称为“被动冷却”的配置，这种配置不会放大来自粒子的光脉冲。该团队成功地观察到了这一效应，并实现了约十倍于束流在IOTA中经历的自然“辐射阻尼”的冷却速度。最后，除了冷却数百万粒子束流之外，科学家们还进行了实验，测试了存储在加速器中单个电子的冷却。

Jarvis说：“这非常振奋人心，因为这是首个使用光学手段实现的粒子束冷却技术，同时使我们对冷却过程中最基本的物理现象有了更深了解。我们能在此前认识的基础上更进一步，朝着现实应用迈进。”

图3 IOTA环束流管俯视图

随着初步实验的完成，科学团队正在IOTA上加入一个改进系统，这将是推进该技术的关键。它将使用一个光学放大器，使每个粒子发出的光增强约1000倍，并应用机器学习为系统增加灵活性。

Jarvis说：“我们最终将尝试各种将这项新技术应用于粒子对撞机及其他领域的方法，这会非常棒。”