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(gè)幽靈困擾著歐洲核子研究中心粒子加速器的隧道。

在超級(jí)質(zhì)子同步加速器，物理學(xué)家終于測(cè)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(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)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(cè)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(huì)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(huì)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(gè)系統(tǒng)相互作用并同步時(shí)，就會(huì)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?cè)趪@恒星或音叉開始的旅程中發(fā)生引力相互作用時(shí)同情地響鈴當(dāng)來自另一個(gè)音叉的聲波擊中它的尖齒時(shí)。

粒子加速器使用強(qiáng)力磁鐵產(chǎn)生電磁場(chǎng)，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(dòng)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(dòng)的粒子通常僅使用兩個(gè)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(gè)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(gè)參數(shù)來映射空間中的每個(gè)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(gè)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(cè)量粒子束。

這聽起來很簡(jiǎn)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(duì)粒子束的影響花了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，并進(jìn)行了大量的計(jì)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(cè)量磁異常開辟了道路。

他們使用超級(jí)質(zhì)子同步加速器上的光束位置監(jiān)視器測(cè)量了大約3,000個(gè)光束的粒子位置。通過仔細(xì)測(cè)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?yàn)樗@示了單個(gè)粒子在耦合共振中的行為。Bartosik 說.“我們可以證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基于理論和模擬的預(yù)測(cè)一致。

下一步是開發(fā)一種理論，描述單個(gè)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(yàn)所需的高保真光束。

該團(tuán)隊(duì)的研究已發(fā)表在自然物理.

寶寶起名