En procedure til direkte at måle styrken af ​​Landau -dæmpning

Landau dæmpning, et fænomen oprindeligt forudsagt af Lev Landau i 1946, er afgørende for at sikre den kollektive strålestabilitet i partikelacceleratorer. Ved præcist at måle styrken af ​​Landau -dæmpning, fysikere kan forudsige stabiliteten af ​​bjælker i højenergikolliderer.

Forskere ved European Organization for Nuclear Research (CERN) introducerede for nylig en procedure til måling af styrken ved Landau-dæmpning og grænserne for strålestabilitet for højenergikolliderer. Denne procedure, beskrevet i et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , er baseret på brugen af ​​en aktiv tværgående feedback som en kontrollerbar kilde til strålekoblingsimpedans.

"Landau -dæmpning er et fascinerende fænomen, der sker i plasmaer, "Sergey Antipov, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Det er en undertrykkelse af ydre forstyrrelser i det dynamiske system gennem kollektiv usammenhængende adfærd for dets individuelle elementer. Forskellige medlemmer reagerer på excitationen lidt forskelligt, interagere og dele energi med hinanden, og som et resultat dæmpes excitationen, skabe en slags orden fra kaos. "

Landaus forudsagde først dæmpning, mens han analyserede Vlasov -ligningen, som i det væsentlige er "standardmodellen" for plasmafysik. I et papir udgivet i 1946, Landau viste, at elektromagnetiske bølger, der forplanter sig gennem plasma, bør henfalde, selvom selve plasmaet ikke har nogen friktion (dvs. ingen spredningsenergi).

"Dengang, denne utilsigtede konklusion blev stærkt debatteret, indtil det endelig blev observeret 20 år efter, at det blev antaget, "Antipov sagde." Først i 2009, matematikere Mouhot og Villani endelig løst ligningen strengt, lægger et solidt matematisk fundament under eksistensen af ​​Landau -dæmpning, som de tjente Fields -prisen for. "

Partikels bevægelse inde i partikelacceleratorer, såsom Large Hadron Collider (LHC), følger også reglerne skitseret af Vlasov -ligningen. Som resultat, Landau -dæmpning findes også i partikelbjælker inde i disse acceleratorer.

Fysikere er afhængige af Landau -dæmpning for at undertrykke uønskede bevægelser, der kan skyldes interaktion mellem en partikelstråle og dets omgivelser gennem inducerede elektromagnetiske vågefelter. Indtil nu, forskere har kun kunnet estimere styrken af ​​Landau -dæmpning i en partikelstråle ved hjælp af en række simple modeller, da der ikke var nogen måde at direkte måle dens styrke.

"En dag, mine kolleger og jeg sad ved et spisebord efter et fysikværksted i franske Evian, tilbage i tiden, hvor der stadig var live -workshops, "Forklarede Antipov." Efter et par drinks og god mad, samtalen skiftede fra de operationelle spørgsmål, emnet for workshoppen, til sjovere ting, vi kunne gøre med LHC -kollideren. Det var da jeg foreslog at prøve at måle Landau -dæmpning. Det viste sig, at LHC -feedback -systemet kunne være i stand til at gøre det, og den ansvarlige for det, Daniel, sad lige foran mig. "

Den generelle idé bag proceduren udformet af Antipov og hans kolleger var at bruge et tværgående feedback -system til at efterligne den kollektive kraft, der virker på en partikelstråle. Typisk, denne feedback måler strålens bane. Hvis kredsløbet afviger fra det ønskede design, strålen kan derefter 'flyttes' i den rigtige retning.

"Vi indstillede det tværgående feedback -system på en måde, så dets forstærkning og faseforsinkelse varierede med amplituden af ​​strålens bevægelse, på samme måde ville strålens selvvågne kraft, "Sagde Antipov." Denne opsætning tillod os at drive en kollektiv ustabilitet i strålen, men samtidig, holde det under kontrol. "Derefter, vi varierede bare den destabiliserende kraft, indtil vi så Landau -dæmpning overvinde den og stabilisere strålen - det var da de to effekter, ustabiliteten og dæmpningen, er lige store - og sådan kender du styrken ved Landau -dæmpning i bjælken. "

Antipov og hans kolleger evaluerede den procedure, de udviklede i en proof-of-princip test udført på LHC. Deres fund fremhæver deres metodes potentiale, tyder på, at det kunne bruges til nøjagtigt at forudsige stråle stabilitet i state-of-the-art højenergikollidere.

"LHC er en unik maskine til at udføre undersøgelser med hensyn til dens evner, men det kommer med en pris, "Antipov sagde." Fordi maskinen er så dyr og følsom, alt skulle fungere fra første forsøg, uden forsøg og fejl, og fiasko er ikke en mulighed. Vi samlede således en lille gruppe eksperter og begyndte at udarbejde planen. Det tog lidt tid at opgradere feedbacken, at studere forskellige scenarier og finde de rigtige parametre, hvor vi højst sandsynligt ville foretage en ren måling. Derefter, en lørdag aften, vi gik lige til kontrolrummet, sad der hele natten og gjorde det. "

Principprøvetesten udført af dette forskergruppe viser, at direkte måling af styrken ved Landau-dæmpning er mulig. Ud over, Antipov og hans kolleger identificerede de betingelser, der var nødvendige for at indsamle en sådan måling.

I fremtiden, deres arbejde kan således tjene som en opskrift, som andre teams kan følge for nøjagtigt at kvantificere styrken ved Landau -dæmpning. I mellemtiden, teamet hos European Organization for Nuclear Research planlægger at teste proceduren på andre maskiner og kolliderer på CERN i Schweiz og GSI i Tyskland.

"Den mest interessante applikation til vores procedure ser ud til at være på højenintensitetsacceleratorer med lavere energi, hvor stærke Coulomb -kræfter påvirker partiklernes kollektive adfærd i en stråle drastisk, "Sagde Antipov." Det er her Landau -dæmpning skal spille en afgørende rolle for at stabilisere partikelbjælker, men i øjeblikket findes der ingen solid teoretisk model, så acceleratorforskere må stole på sofistikerede numeriske simuleringer. Forhåbentlig, en eksperimentel metode vil hjælpe med at kaste lys over problemet. "

© 2021 Science X Network