Fizicienii au capturat o „fantomă” 4D în Acceleratorul de Particule de la CERN.
În Super Proton Synchrotron, fizicienii au măsurat și cuantificat, în sfârșit, o structură invizibilă care poate devia traiectoria particulelor în interior și poate crea probleme pentru cercetarea particulelor.
Ce este, de fapt, „fantoma 4D”
Aceasta este descrisă ca având loc în spațiul de fază, care poate reprezenta una sau mai multe stări ale unui sistem în mișcare. Deoarece sunt necesare patru stări pentru a reprezenta structura, cercetătorii o consideră patru-dimensională.
Această structură este rezultatul unui fenomen cunoscut sub numele de rezonanță, iar capacitatea de a o cuantifica și măsura ne apropie de soluționarea unei probleme universale pentru acceleratoarele de particule magnetice, spun cercetătorii.
„Cu aceste rezonanțe, ceea ce se întâmplă este că particulele nu urmează exact traiectoria pe care o dorim și apoi zboară și se pierd”, explică fizicianul Giuliano Franchetti de la GSI din Germania.
„Acest lucru cauzează degradarea fasciculului și face dificilă atingerea parametrilor necesari ai fasciculului”.
Structura de rezonanță 4D pe care cercetătorii au măsurat-o în Super Proton Synchrotron. (H. Bartosik, G. Franchetti și F. Schmidt, Nature Physics, 2024)
Rezonanța apare atunci când două sisteme interacționează și se sincronizează. Poate fi o rezonanță care apare între orbitele planetelor pe măsură ce interacționează gravitațional în călătoria lor în jurul unei stele, sau o „furcă” de acordare care începe să vibreze atunci când unde sonore de la o altă „furcă” de acordare lovesc dintele acesteia.
Acceleratoarele de particule folosesc magneți puternici care generează câmpuri electromagnetice pentru a ghida și accelera fasciculele de particule acolo unde fizicienii doresc. Rezonanțele pot apărea în accelerator din cauza imperfecțiunilor în magneți, creând o structură magnetică ce interacționează cu particulele în moduri problematice.
Cu cât un sistem dinamic prezintă mai multe grade de libertate, cu atât este mai complex să fie descris matematic. Particulele care se mișcă printr-un accelerator de particule sunt de obicei descrise folosind doar două grade de libertate, reflectând cele două coordonate necesare pentru a defini un punct pe o rețea plană.
Ce își propun cercetătorii
Pentru a descrie structurile din interior este nevoie să le mapezi folosind caracteristici suplimentare în spațiul de fază, în afară de dimensiunile sus-jos, stânga-dreapta; adică, sunt necesare patru parametri pentru a mapa fiecare punct din spațiu.
Acest lucru, spun cercetătorii, este ceva care ar putea foarte ușor „evita intuiția noastră geometrică”.
„În fizica acceleratoarelor, gândirea este adesea într-un singur plan,” spune Franchetti.
Pentru a mapa o rezonanță, însă, fasciculul de particule trebuie măsurat pe ambele planuri – orizontal și vertical. Sună destul de simplu, dar dacă ești obișnuit să gândești despre ceva într-un anumit fel, ar putea fi nevoie de un efort să gândești outside the box. Înțelegerea efectelor rezonanței asupra unui fascicul de particule a necesitat câțiva ani și simulări computaționale considerabile.
Cu toate acestea, aceste informații au deschis calea pentru Franchetti, împreună cu fizicienii Hannes Bartosik și Frank Schmidt de la CERN, pentru a măsura aceast[ anomalie magnetică.
Folosind monitoarele de poziție a fasciculului de-a lungul Super Proton Synchrotron, au măsurat poziția particulelor pentru aproximativ 3.000 de fascicule. Prin măsurarea cu atenție a locului unde particulele erau centrate, sau deviate într-o parte, au reușit să genereze o hartă a rezonanței care „bântuie” acceleratorul.
„Ceea ce face descoperirea noastră recentă atât de specială este că arată cum se comportă particulele individuale într-o rezonanță cuplată,” spune Bartosik.
„Putem demonstra că descoperirile experimentale se conformează cu ceea ce fusese prevăzut pe baza teoriei și simulării”.
Următorul pas este să dezvolte o teorie care descrie cum se comportă particulele individuale în prezența unei rezonanțe a acceleratorului. Acest lucru, spun cercetătorii, le va oferi, în cele din urmă, o nouă modalitate de a reduce degradarea fasciculului și de a obține fascicule de înaltă fidelitate necesare pentru experimentele de accelerare a particulelor în desfășurare și viitoare.
