Φυσικοί συλλαμβάνουν το άπιαστο 4D «φάντασμα» στον επιταχυντή σωματιδίων του CERN

Φυσικοί συλλαμβάνουν το άπιαστο 4D «φάντασμα» στον επιταχυντή σωματιδίων του CERN


Το Super Proton Synchrotron του CERN. (CERN)

Από την ΜICHELLE STARR

Υπάρχει ένα φάντασμα που στοιχειώνει τις σήραγγες ενός επιταχυντή σωματιδίων στο CERN.

Στο Super Proton Synchrotron, οι φυσικοί έχουν τελικά μετρήσει και ποσοτικοποιήσει μια αόρατη δομή που μπορεί να εκτρέψει την πορεία των σωματιδίων μέσα σε αυτό και να δημιουργήσει προβλήματα για την έρευνα σωματιδίων.

Περιγράφεται ότι λαμβάνει χώρα στο χώρο φάσεων, ο οποίος μπορεί να αντιπροσωπεύει μία ή περισσότερες καταστάσεις ενός κινούμενου συστήματος. Δεδομένου ότι απαιτούνται τέσσερεις φάσεις για να αντιπροσωπεύσουν τη δομή, οι ερευνητές τη βλέπουν ως τετραδιάστατη.

Αυτή η δομή είναι το αποτέλεσμα ενός φαινομένου γνωστού ως συντονισμός και η δυνατότητα ποσοτικοποίησης και μέτρησής του μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά στην επίλυση ενός προβλήματος καθολικού στους επιταχυντές μαγνητικών σωματιδίων.



«Με αυτούς τους συντονισμούς, αυτό που συμβαίνει είναι ότι τα σωματίδια δεν ακολουθούν ακριβώς το μονοπάτι που θέλουμε και στη συνέχεια πετούν μακριά και χάνονται», λέει ο φυσικός Giuliano Franchetti της GSI στη Γερμανία. "Αυτό προκαλεί υποβάθμιση της δέσμης και καθιστά δύσκολη την επίτευξη των απαιτούμενων παραμέτρων δέσμης".


Ο συντονισμός συμβαίνει όταν δύο συστήματα αλληλεπιδρούν και συγχρονίζονται. Θα μπορούσε να είναι ένας συντονισμός που αναδύεται μεταξύ των πλανητικών τροχιών καθώς αλληλεπιδρούν βαρυτικά στο ταξείδι τους γύρω από ένα αστέρι ή ένα πηρούνι συντονισμού που αρχίζει να ηχεί συμπαθητικά όταν τα ηχητικά κύματα από ένα άλλο πηρούνι συντονισμού χτυπούν τα δόντια του.


Οι επιταχυντές σωματιδίων χρησιμοποιούν ισχυρούς μαγνήτες που παράγουν ηλεκτρομαγνητικά πεδία για να καθοδηγήσουν και να επιταχύνουν δέσμες σωματιδίων εκεί που οι φυσικοί θέλουν να πάνε. Συντονισμοί μπορούν να συμβούν στον επιταχυντή λόγω ατελειών στους μαγνήτες, δημιουργώντας μια μαγνητική δομή που αλληλεπιδρά με σωματίδια με προβληματικούς τρόπους.


Όσο περισσότερους βαθμούς ελευθερίας παρουσιάζει ένα δυναμικό σύστημα, τόσο πιο περίπλοκο είναι να περιγραφεί μαθηματικά. Τα σωματίδια που κινούνται μέσω ενός επιταχυντή σωματιδίων περιγράφονται συνήθως χρησιμοποιώντας μόνο δύο βαθμούς ελευθερίας, αντανακλώντας τις δύο συντεταγμένες που απαιτούνται για τον ορισμό ενός σημείου σε ένα επίπεδο πλέγμα.


Η περιγραφή των δομών σε αυτό απαιτεί τη χαρτογράφηση τους χρησιμοποιώντας πρόσθετα χαρακτηριστικά στο χώρο φάσεων πέρα από τις διαστάσεις πάνω-κάτω, αριστερά-δεξιά. Δηλαδή, απαιτούνται τέσσερις παράμετροι για τη χαρτογράφηση κάθε σημείου στο χώρο.

Αυτό, λένε οι ερευνητές, είναι κάτι που θα μπορούσε πολύ εύκολα να «ξεφύγει από τη γεωμετρική μας διαίσθηση».



Η δομή συντονισμού 4D που μέτρησαν οι ερευνητές στο Super Proton Synchrotron. (H. Bartosik, G. Franchetti και F. Schmidt, Φυσική της Φύσης, 2024)


«Στη φυσική των επιταχυντών, η σκέψη είναι συχνά σε ένα μόνο επίπεδο», λέει ο Franchetti. Ωστόσο, προκειμένου να χαρτογραφηθεί ένας συντονισμός, η δέσμη σωματιδίων πρέπει να μετρηθεί τόσο στο οριζόντιο όσο και στο κατακόρυφο επίπεδο.


Ακούγεται αρκετά απλό, αλλά αν έχετε συνηθίσει να σκέφτεστε κάτι με συγκεκριμένο τρόπο, μπορεί να χρειαστεί προσπάθεια να σκεφτείτε έξω από το κουτί. Η κατανόηση των επιπτώσεων του συντονισμού σε μια δέσμη σωματιδίων χρειάστηκε αρκετά χρόνια και μερικές βαριές προσομοιώσεις σε υπολογιστή.


Ωστόσο, αυτές οι πληροφορίες άνοιξαν το δρόμο για τον Franchetti, μαζί με τους φυσικούς Hannes Bartosik και Frank Schmidt του CERN, να μετρήσουν τελικά τη μαγνητική ανωμαλία.


Χρησιμοποιώντας μετρητές θέσης δέσμης κατά μήκος του Super Proton Synchrotron, μέτρησαν τη θέση των σωματιδίων για περίπου 3.000 δέσμες. Μετρώντας προσεκτικά πού ήταν τα σωματίδια κεντραρισμένα ή λοξά προς τη μία πλευρά, ήταν σε θέση να δημιουργήσουν έναν χάρτη του συντονισμού που στοιχειώνει τον επιταχυντή.


«Αυτό που κάνει το πρόσφατο εύρημά μας τόσο ξεχωριστό είναι ότι δείχνει πώς συμπεριφέρονται μεμονωμένα σωματίδια σε συζευγμένο συντονισμό», λέει ο Bartosik. «Μπορούμε να αποδείξουμε ότι τα πειραματικά ευρήματα συμφωνούν με αυτό που είχε προβλεφθεί με βάση τη θεωρία και την προσομοίωση».


Το επόμενο βήμα είναι να αναπτυχθεί μια θεωρία που περιγράφει πώς συμπεριφέρονται μεμονωμένα σωματίδια παρουσία συντονισμού επιταχυντή. Αυτό, λένε οι ερευνητές, θα τους δώσει τελικά έναν νέο τρόπο για να μετριάσουν την υποβάθμιση της δέσμης και να επιτύχουν τις δέσμες υψηλής πιστότητας που απαιτούνται για τρέχοντα και μελλοντικά πειράματα επιτάχυνσης σωματιδίων.


Η έρευνα της ομάδας δημοσιεύθηκε στο Nature Physics.

Εικόνες από FoulsCode.com 


Κατηγορίες:
Σχόλια