Opdagelse af en ny type partikelstråle ustabilitet

Accelereret, ladede partikelstråler gør, hvad lys gør for mikroskoper:belyser stof. Jo mere intense bjælkerne er, jo lettere kan forskere undersøge det objekt, de ser på. Men intensitet kommer med en pris:Jo mere intense strålerne er, jo mere de bliver tilbøjelige til ustabilitet.

En type ustabilitet opstår, når den gennemsnitlige energi af accelererede partikler, der bevæger sig gennem en cirkulær maskine, når sin overgangsværdi. Overgangspunktet opstår, når partiklerne drejer rundt om ringen med samme hastighed, selvom de ikke alle bærer den samme energi – faktisk, de udviser en række energier. Partiklernes specifikke bevægelse nær overgangsenergien gør dem ekstremt tilbøjelige til kollektive ustabilitet.

Disse særlige ustabiliteter blev observeret i årtier, men de blev ikke forstået tilstrækkeligt. Faktisk, de blev misfortolket. I et papir, der blev offentliggjort i år, Jeg foreslår en ny teori om disse ustabiliteter. Anvendelsen af ​​denne teori på Fermilab Booster -acceleratoren forudsagde hovedtrækkene ved ustabiliteten der ved overgangskrydsningen, foreslår bedre måder at undertrykke ustabiliteten. Nylige målinger bekræftede forudsigelserne, og mere detaljerede eksperimentelle stråleundersøgelser er planlagt i den nærmeste fremtid.

Acceleration af højintensitetsstråler er en afgørende del af Fermilabs videnskabelige program. En solid teoretisk forståelse af partikelstråleadfærd ruster eksperimentelle til bedre at manipulere acceleratorparametrene for at undertrykke ustabilitet. Dette fører til de højintensitetsstråler, der er nødvendige for Fermilabs eksperimenter i grundlæggende fysik. Det er også nyttigt for ethvert forsøg eller institution, der driver cirkulære acceleratorer.

Stråleprotoner taler med hinanden ved hjælp af elektromagnetiske felter, som er af to slags. Den ene kaldes Coulomb-feltet. Disse felter er lokale og på egen hånd, kan ikke drive ustabilitet. Den anden slags er vågefeltet. Vågnefelter udstråles af partiklerne og følger efter dem, nogle gange langt bagud.

Når en partikel afviger fra strålebanen, kølvandsfeltet oversætter denne afgang baglæns - i kølvandet efterladt af partiklen. Selv en lille afvigelse fra stien undgår måske ikke at blive båret baglæns af disse elektromagnetiske felter. Hvis strålerne er intense nok, deres vågner kan destabilisere dem.

I den nye teori, Jeg foreslog en kompakt matematisk model, der effektivt tager hensyn til begge slags felter, indse, at begge er vigtige, når de er stærke nok, da de typisk er tæt på overgangsenergi.

Denne form for enorm forstærkning sker ved CERN's Proton Synchrotron, for eksempel, som jeg viste i min nyere avis, indsendt til Physical Review Accelerators and Beams. Hvis det ikke undertrykkes på den ene eller anden måde, denne forstærkning kan vokse, indtil strålen rører vakuumkammerets væg og går tabt. Nylige målinger på Fermilab Booster bekræftede eksistensen af ​​en lignende ustabilitet der; flere målinger er planlagt i den nærmeste fremtid for at undersøge nye metoder, der foreslås for at afbøde det.

Disse fænomener kaldes tværgående konvektive ustabilitet, og opdagelserne om, hvordan de opstår, åbner nye døre til teoretisk, numeriske og eksperimentelle måder til bedre forståelse og bedre håndtering af de intense protonstråler.