Физики запечатлели неуловимое 4D-привидение в ускорителе частиц ЦЕРН

Призрак бродит по туннелям ускорителя частиц в ЦЕРНе.

В суперпротонном синхротроне физики наконец измерили и количественно оценили невидимую структуру, которая может изменить курс частиц в нем и создать проблемы исследования частиц.

Это происходит в фазовом пространстве, которое может представлять одно или несколько состояний движущейся системы. Поскольку для представления структуры необходимы четыре состояния, исследователи рассматривают ее как четырехмерную.

Эта структура является результатом явления, известного как резонанс, и возможность количественно оценить и измерить ее требует от нас большого шага. ближе к решению проблемы, универсальной для магнитных ускорителей частиц.

«При этих резонансах происходит то, что частицы не следуют именно по тому пути, который нам нужен, а затем улетают и теряются», — говорит физик Джулиано Франкетти. GSI в Германии. «Это приводит к ухудшению качества луча и затрудняет достижение необходимых параметров луча».

Резонанс возникает, когда две системы взаимодействуют и синхронизируются. Это может быть резонанс, возникающий между орбитами планет, когда они гравитационно взаимодействуют во время своего путешествия вокруг звезды, или камертон, который начинает сочувственно звенеть, когда звуковые волны другого камертона ударяются о его зубцы.

Используются ускорители частиц. мощные магниты, которые генерируют электромагнитные поля, чтобы направлять и ускорять пучки частиц туда, куда хотят физики. Резонансы могут возникать в ускорителе из-за несовершенства магнитов, создавая магнитную структуру, которая проблематичным образом взаимодействует с частицами.

Чем больше степеней свободы демонстрирует динамическая система, тем сложнее ее описать математически . Частицы, движущиеся через ускоритель частиц, обычно описываются с использованием всего двух степеней свободы, что отражает две координаты, необходимые для определения точки на плоской сетке.

Для описания структур в нем требуется отобразить их с использованием дополнительных функций в фазовом пространстве. за пределами просто измерений вверх-вниз, влево-вправо; то есть для отображения каждой точки пространства необходимы четыре параметра.

Это, по словам исследователей, может очень легко «ускользнуть от нашей геометрической интуиции».

«В физике ускорителей мышление часто находится только в одной плоскости, «, — говорит Франкетти. Однако, чтобы составить карту резонанса, пучок частиц необходимо измерить как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

Звучит довольно просто, но если вы привыкли думать о чем-то определенным образом , возможно, потребуется приложить усилия, чтобы мыслить нестандартно. Понимание влияния резонанса на пучок частиц заняло несколько лет и серьезное компьютерное моделирование.

Однако эта информация открыла Франкетти вместе с физиками Ханнесом Бартосиком и Франком Шмидтом из ЦЕРН путь к наконец, измерьте магнитную аномалию.

Используя мониторы положения луча на суперпротонном синхротроне, они измерили положение частиц примерно для 3000 лучей. Тщательно измерив, где частицы были центрированы или смещены в одну сторону, они смогли создать карту резонанса, преследующего ускоритель.

«Что делает наше недавнее открытие таким особенным, так это то, что оно показывает, насколько индивидуальны частицы ведут себя в связанном резонансе», — говорит Бартосик. «Мы можем продемонстрировать, что экспериментальные результаты согласуются с тем, что было предсказано на основе теории и моделирования».

Следующим шагом является разработка теории, описывающей, как отдельные частицы ведут себя в присутствии резонанса ускорителя. По словам исследователей, это в конечном итоге даст им новый способ смягчить деградацию пучков и получить лучи высокой точности, необходимые для текущих и будущих экспериментов по ускорению частиц.

Исследование группы опубликовано в Физика природы.