Слушая музыку или качая качели на детской площадке, мы все знакомы с резонансами и тем, как они усиливают эффект — например, звук или движение. Однако в круглых ускорителях частиц высокой интенсивности резонансы могут доставлять неудобства, заставляя частицы отлетать от своего курса и приводя к потерям пучка. Чтобы предсказать, как резонансы и нелинейные явления влияют на пучки частиц, необходимо разобраться в очень сложной динамике.
Впервые ученым Суперпротонного синхротрона (SPS) в сотрудничестве с учеными GSI в Дармштадте удалось экспериментально доказать существование особой резонансной структуры. Хотя ранее она была теоретически высказана и появилась в моделировании, эту структуру очень сложно изучить экспериментально, поскольку она влияет на частицы в четырехмерном пространстве.
Эти последние результаты, опубликованные в журнале Nature Physics, помогут улучшить качество пучков низкой энергии и высокой яркости для инжекторов LHC в CERN и установки SIS18/SIS100 в GSI, а также для пучков высоких энергий с большими светимость, такие как БАК и будущие коллайдеры высоких энергий.
«Из-за этих резонансов частицы не следуют именно по тому пути, который нам нужен, а затем улетают и теряются», — говорит Джулиано Франкетти, ученый из GSI и один из авторов статьи. «Это приводит к ухудшению качества луча и затрудняет достижение необходимых параметров луча».
Идея поискать причину этого возникла в 2002 году, когда ученые из GSI и CERN поняли, что потери частиц увеличиваются по мере того, как ускорители стремятся к более высокой интенсивности пучка. «Сотрудничество возникло из-за необходимости понять, что ограничивает эти машины, чтобы мы могли обеспечить производительность и интенсивность луча, необходимые в будущем», — говорит Ханнес Бартосик, ученый из ЦЕРН и еще один из авторов статьи.
На протяжении многих лет разрабатывались теории и моделировались, чтобы понять, как резонансы влияют на движение частиц в пучках высокой интенсивности. «Большим группам ускорителей потребовались огромные усилия по моделированию, чтобы понять влияние резонансов на стабильность пучка», — говорит Фрэнк Шмидт из ЦЕРН, также один из авторов статьи. Моделирование показало, что резонансные структуры, вызванные связью в двух степенях свободы, являются одной из основных причин деградации пучка.
Потребовалось много времени, чтобы придумать, как искать эти резонансные структуры экспериментально. Это связано с тем, что они четырехмерны и требуют измерения луча как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, чтобы увидеть, существуют ли они. «В физике ускорителей мышление часто происходит только в одной плоскости», — добавляет Франкетти.
Чтобы измерить, как резонансы влияют на движение частиц, ученые использовали мониторы положения луча вокруг SPS. Примерно за 3000 проходов луча мониторы измеряли, были ли частицы в луче центрированы или смещены в одну сторону как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.
«Что делает наше недавнее открытие таким особенным, так это то, что оно показывает, как отдельные частицы ведут себя в связанном резонансе», — продолжает Бартосик. «Мы можем продемонстрировать, что экспериментальные результаты согласуются с тем, что было предсказано на основе теории и моделирования».
Хотя существование связанных резонансных структур в настоящее время обнаружено экспериментально, еще предстоит сделать гораздо больше, чтобы уменьшить их вредное воздействие . «Мы разрабатываем теорию, описывающую, как частицы движутся при наличии этих резонансов», — продолжает Франкетти. «Мы надеемся, что благодаря этому исследованию, в сочетании со всеми предыдущими, мы получим подсказки о том, как избежать или минимизировать эффекты этих резонансов для нынешних и будущих ускорителей».
