物理學(xué)家在歐洲核子研究中心粒子加速器中捕捉難以捉摸的4D“幽靈”

有一個幽靈困擾著歐洲核子研究中心粒子加速器的隧道。

在超級質(zhì)子同步加速器，物理學(xué)家終于測量并量化了一種看不見的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以改變其中粒子的軌跡，并為粒子研究帶來問題。

它被描述為發(fā)生在相空間，它可以表示移動系統(tǒng)的一個或多個狀態(tài)。由于需要四種狀態(tài)來表示結(jié)構(gòu)，因此研究人員將其視為四維狀態(tài)。

這種結(jié)構(gòu)是一種稱為共鳴，并且能夠量化和測量它使我們離解決磁粒子加速器普遍存在的問題更近了一步。

“通過這些共振，粒子不會完全遵循我們想要的路徑，然后飛走并迷失方向。物理學(xué)家朱利亞諾·弗蘭切蒂（Giuliano Franchetti）說之全球統(tǒng)一指數(shù) （GSI）在德國。“這會導(dǎo)致光束退化，并且難以達(dá)到所需的光束參數(shù)。”

當(dāng)兩個系統(tǒng)相互作用并同步時，就會發(fā)生共振。這可能是之間出現(xiàn)的共鳴行星軌道當(dāng)它們在圍繞恒星或音叉開始的旅程中發(fā)生引力相互作用時同情地響鈴當(dāng)來自另一個音叉的聲波擊中它的尖齒時。

粒子加速器使用強(qiáng)力磁鐵產(chǎn)生電磁場，將粒子束引導(dǎo)和加速到物理學(xué)家希望它們?nèi)サ牡胤健?a>共振由于磁鐵的缺陷，加速器中可能發(fā)生，從而產(chǎn)生以有問題的方式與粒子相互作用的磁性結(jié)構(gòu)。

動態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出的自由度越多，用數(shù)學(xué)方法描述就越復(fù)雜。通過粒子加速器移動的粒子通常僅使用兩個自由度來描述，反映了在平面網(wǎng)格上定義點(diǎn)所需的兩個坐標(biāo)。

要描述其中的結(jié)構(gòu)，需要使用相空間中的其他特征來映射它們，而不僅僅是上下、左右維度;也就是說，需要四個參數(shù)來映射空間中的每個點(diǎn)。

這研究人員說，是很容易“逃避我們的幾何直覺”的東西。

“在加速器物理學(xué)中，思維通常只在一個平面上，”弗蘭切蒂 說.然而，為了映射共振，需要在水平和垂直平面上測量粒子束。

這聽起來很簡單，但如果你習(xí)慣于以特定的方式思考某事，那么可能需要努力跳出框框思考。了解共振對粒子束的影響花了相當(dāng)長的時間，并進(jìn)行了大量的計算機(jī)模擬。

然而，這些信息為弗蘭切蒂以及歐洲核子研究中心的物理學(xué)家漢內(nèi)斯·巴托西克和弗蘭克·施密特最終測量磁異常開辟了道路。

他們使用超級質(zhì)子同步加速器上的光束位置監(jiān)視器測量了大約3,000個光束的粒子位置。通過仔細(xì)測量粒子的中心位置或向一側(cè)傾斜的位置，他們能夠生成困擾加速器的共振圖。

“我們最近的發(fā)現(xiàn)之所以如此特別，是因為它顯示了單個粒子在耦合共振中的行為。Bartosik 說.“我們可以證明實(shí)驗結(jié)果與基于理論和模擬的預(yù)測一致。

下一步是開發(fā)一種理論，描述單個粒子在加速器共振存在下的行為。研究人員表示，這最終將為他們提供一種減輕光束退化的新方法，并實(shí)現(xiàn)正在進(jìn)行和未來的粒子加速實(shí)驗所需的高保真光束。

該團(tuán)隊的研究已發(fā)表在自然物理.

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