Natuurkundigen van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), in samenwerking met onderzoekers in Zuid-Korea en Duitsland, hebben een theoretisch raamwerk ontwikkeld om de stabiliteit en intensiteit van deeltjesversnellerbundels te verbeteren. Wetenschappers gebruiken de hoogenergetische stralen, die stabiel en intens moet zijn om effectief te kunnen werken, om de ultieme structuur van materie te ontsluiten. Artsen gebruiken medische versnellers om stralen te produceren die kankercellen kunnen zappen.

"Als natuurkundigen de volgende generatie versnellers ontwerpen, ze zouden deze theorie kunnen gebruiken om de meest geoptimaliseerde gerichte bundels te creëren, " zei PPPL-natuurkundige Hong Qin. Dr. Qin, Executive Dean van de School of Nuclear Science and Technology aan de University of Science and Technology of China, is co-auteur van het onderzoek beschreven in het novembernummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

Ritsen door tunnels of buizen

Versnellingsstralen bestaan ​​uit miljarden geladen deeltjes die door tunnels of buizen razen voordat ze in botsing komen met hun doelen. Bij wetenschappelijke experimenten, deze stralen raken hun doelen met een enorme energiedichtheid en genereren subatomaire deeltjes die sinds het vroege heelal niet meer zijn gezien. Het lang gezochte Higgs-boson, het deeltje dat het veld draagt ​​dat massa geeft aan sommige fundamentele deeltjes, werd op deze manier ontdekt in de Large Hadron Collider in Europa, 's werelds grootste en krachtigste versneller.

Om ervoor te zorgen dat een straal zijn intensiteit behoudt, de deeltjes in de straal moeten dicht bij elkaar blijven terwijl ze door de straallijn ritselen. Echter, de straal verliest intensiteit als de wederzijdse afstoting van deeltjes en onvolkomenheden van de versneller de straal degraderen. Om dergelijke degradatie en verliezen te minimaliseren, de wanden van grote versnellers zijn bekleed met zeer nauwkeurige magneten om hun beweging te regelen.

Het nieuwe onderzoek bevordert het theoretische werk van PPPL in de afgelopen zeven jaar om de stabiliteit van bundeldeeltjes te verbeteren. De theorie koppelt de verticale en horizontale bewegingen van de deeltjes sterk aan elkaar, in tegenstelling tot de standaardtheorie die de verschillende bewegingen als onafhankelijk van elkaar beschouwt. Resultaten van de theorie "bieden belangrijke nieuwe theoretische hulpmiddelen voor het gedetailleerde ontwerp en de analyse van bundelmanipulaties met hoge intensiteit, "volgens de krant.

Een al lang bestaand model wijzigen

Het artikel behandelt een werk uit 1959 van twee Russische natuurkundigen dat de basis vormde voor de analyse van de eigenschappen van hoge-intensiteitsstralen gedurende de afgelopen decennia. Dit werk beschouwt de deeltjesbewegingen als ontkoppeld. Chung en zijn co-auteurs passen het Russische model - de Kapchinskij-Vladimirskij-verdeling genoemd - aan om alle koppelingskrachten en andere elementen op te nemen die de balken stabieler kunnen maken.

Het resulterende theoretische instrument, die het Russische model generaliseerde, kwam goed overeen met simulatieresultaten voor het Emittance Transfer Experiment in het Helmholtz Center in Duitsland, die een nieuwe straalmanipulatietechnologie illustreerde voor toekomstige versnellers. Intensere stralen kunnen de ontdekking van nieuwe subatomaire deeltjes mogelijk maken, zei Qin.