CERN måler koblet resonansstruktur, der kan forårsage partikeltab i acceleratorer for første gang

Uanset om vi lytter til musik eller skubber en gynge på legepladsen, er vi alle bekendt med resonanser, og hvordan de forstærker en effekt - for eksempel en lyd eller en bevægelse. Men i cirkulære partikelacceleratorer med høj intensitet kan resonanser være til besvær, hvilket får partikler til at flyve af deres kurs og resultere i stråletab. At forudsige, hvordan resonanser og ikke-lineære fænomener påvirker partikelstråler, kræver en meget kompleks dynamik, der skal skilles ad.

For første gang har forskere ved Super Proton Synchrotron (SPS) i samarbejde med forskere ved GSI i Darmstadt været i stand til eksperimentelt at bevise eksistensen af ​​en bestemt resonansstruktur. Selvom den tidligere var blevet teoretiseret og optrådt i simuleringer, er denne struktur meget vanskelig at studere eksperimentelt, da den påvirker partikler i et firedimensionelt rum.

Disse seneste resultater, offentliggjort i Nature Physics , vil bidrage til at forbedre strålekvaliteten for lavenergi- og højlysstyrkestråler til LHC-injektorerne på CERN og SIS18/SIS100-anlægget på GSI, samt for højenergistråler med stor lysstyrke, såsom LHC og fremtiden højenergikolliderer.

"Med disse resonanser er det, der sker, at partikler ikke følger præcis den vej, vi ønsker, og derefter flyver væk og farer vild," siger Giuliano Franchetti, en videnskabsmand ved GSI og en af ​​papirets forfattere. "Dette forårsager stråleforringelse og gør det vanskeligt at nå de nødvendige stråleparametre."

Ideen til at lede efter årsagen til dette opstod i 2002, da forskere ved GSI og CERN indså, at partikeltabet steg, efterhånden som acceleratorer pressede på for højere stråleintensitet. "Samarbejdet kom fra behovet for at forstå, hvad der begrænsede disse maskiner, så vi kunne levere den stråleydelse og intensitet, der er nødvendig for fremtiden," siger Hannes Bartosik, en videnskabsmand ved CERN og en anden af ​​papirets forfattere.

I løbet af mange år blev teorier og simuleringer udviklet for at forstå, hvordan resonanser påvirkede partikelbevægelse i højintensitetsstråler. "Det krævede en enorm simuleringsindsats af store acceleratorhold at forstå effekten af ​​resonanserne på strålestabiliteten," siger Frank Schmidt ved CERN, også en af ​​papirets forfattere. Simuleringerne viste, at resonansstrukturer induceret af kobling i to frihedsgrader er en af ​​hovedårsagerne til strålenedbrydning.

Det tog lang tid at udtænke, hvordan man forsøgte at lede efter disse resonansstrukturer eksperimentelt. Dette skyldes, at de er firedimensionelle og kræver, at strålen skal måles i både vandret og lodret plan for at se, om de findes. "I acceleratorfysik er tænkningen ofte kun i ét plan," tilføjer Franchetti.

For at måle, hvordan resonanser påvirker partikelbevægelse, brugte forskerne strålepositionsmonitorer omkring SPS. Over cirka 3.000 strålepassager målte monitorerne, om partiklerne i strålen var centreret eller mere til den ene side, i både det vandrette og lodrette plan. Den resonansstruktur, der blev fundet, er vist i figuren nedenfor.

"Det, der gør vores seneste fund så speciel, er, at det viser, hvordan individuelle partikler opfører sig i en koblet resonans," fortsætter Bartosik. "Vi kan påvise, at de eksperimentelle resultater stemmer overens med det, der var blevet forudsagt baseret på teori og simulering."

Mens eksistensen af ​​de koblede resonansstrukturer nu er blevet observeret eksperimentelt, er der stadig meget mere at gøre for at reducere deres skadelige virkning. "Vi er ved at udvikle en teori til at beskrive, hvordan partikler bevæger sig i nærvær af disse resonanser," fortsætter Franchetti. "Med denne undersøgelse, kombineret med alle de tidligere, håber vi, at vi vil få fingerpeg om, hvordan man undgår eller minimerer virkningerne af disse resonanser for nuværende og fremtidige acceleratorer."

Flere oplysninger: H. Bartosik et al., Observation af faste linjer induceret af en ikke-lineær resonans i CERN Super Proton Synchrotron, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02338-3

Leveret af CERN