Natuurkundigen vangen een ongrijpbaar 4D-spook op in de CERN-deeltjesversneller

Er waart een geest rond in de deeltjesversnellertunnels van CERN.

In de Superproton-synchrotronTen slotte hebben natuurkundigen de hoeveelheid onzichtbare structuur gemeten en gekwantificeerd die het pad van de deeltjes die zich daarin bevinden kan omleiden, en problemen kan creëren voor deeltjesonderzoek.

Er is beschreven dat het voorkomt in PodiumruimteDie een of meer toestanden van een bewegend systeem kunnen vertegenwoordigen. Omdat er vier toestanden nodig zijn om de structuur weer te geven, beschouwen onderzoekers deze als vierdimensionaal.

Deze structuur is het resultaat van een fenomeen dat bekend staat als echoAls we ze kunnen meten en meten, komen we een stap dichter bij het oplossen van een mondiaal probleem met betrekking tot magnetische deeltjesversnellers.

“Wat er met deze echo’s gebeurt, is dat de deeltjes niet precies het pad volgen dat we willen, waarna ze wegvliegen en verdwalen.” zegt natuurkundige Giuliano Franchitti naar GSI In Duitsland. “Dit verslechtert de straal en maakt het moeilijk om de gewenste straalparameters te bereiken.”

Resonantie treedt op wanneer twee systemen samenwerken en synchroniseren. Het zou een opkomende echo tussen kunnen zijn Planetaire banen Terwijl ze tijdens hun reis rond een ster of stemvork in wisselwerking staan ​​met de zwaartekracht, beginnen ze te draaien Sympathieke lus Wanneer geluidsgolven van een andere stemvork tegen zijn tanden botsen.

Gebruik van deeltjesversnellers Sterke magneet Die genereren elektromagnetische velden om deeltjesbundels te richten en te versnellen waar natuurkundigen ze willen hebben. Bellen Ze kunnen in een versneller voorkomen als gevolg van defecten in de magneet, waardoor een magnetische structuur ontstaat die op problematische manieren met deeltjes interageert.

Hoe meer vrijheidsgraden een dynamisch systeem vertoont, hoe complexer de wiskundige beschrijving ervan wordt. Deeltjes die door een deeltjesversneller bewegen, worden doorgaans beschreven met slechts twee vrijheidsgraden, die de twee coördinaten weerspiegelen die nodig zijn om een ​​punt op een vlak raster te lokaliseren.

Het beschrijven van de structuren daarin vereist het in kaart brengen ervan met behulp van aanvullende kenmerken in de faseruimte die verder gaan dan alleen de dimensies van boven naar beneden en van links naar rechts; Dat wil zeggen dat er vier parameters nodig zijn om elk punt in de ruimte in kaart te brengen.

dit, Onderzoekers zeggenis iets dat onze technische intuïties gemakkelijk kan ontwijken.

“In de versnellerfysica bevindt het denken zich vaak op slechts één niveau.” zegt Franchitti. Om de resonantie echter in kaart te brengen, moet de deeltjesbundel zowel over het horizontale als over het verticale vlak worden gemeten.

Het klinkt eenvoudig, maar als je gewend bent om op een bepaalde manier over iets na te denken, kan het moeite kosten om buiten de gebaande paden te denken. Het begrijpen van de effecten van resonantie op de deeltjesbundel duurde een paar jaar, evenals enkele enorme computersimulaties.

Deze informatie opende echter de weg voor Franchitti, samen met natuurkundigen Hannes Bartosek en Frank Schmidt van CERN, om eindelijk de magnetische anomalie te meten.

Met behulp van bundelpositiemonitors langs de Super Proton Synchrotron maten ze de deeltjespositie voor ongeveer 3.000 bundels. Door nauwkeurig te meten waar de deeltjes zich in het midden bevonden of naar één kant werden afgebogen, konden ze een kaart maken van de resonantie die de versneller achtervolgde.

“Wat onze nieuwste ontdekking zo bijzonder maakt, is dat ze laat zien hoe individuele deeltjes zich gedragen in dubbele resonantie.” zegt Bartosek. “We kunnen aantonen dat de experimentele resultaten consistent zijn met wat werd voorspeld op basis van theorie en simulatie.”

De volgende stap is het ontwikkelen van een theorie die beschrijft hoe individuele deeltjes zich gedragen in de aanwezigheid van versnellerresonantie. De onderzoekers zeggen dat dit hen uiteindelijk een nieuwe manier zal geven om de degradatie van de bundel te verminderen en de hoge-resolutiebundels te bereiken die nodig zijn voor huidige en toekomstige deeltjesversnellingsexperimenten.

Het onderzoek van het team is gepubliceerd in Natuurfysica.