Versneld, geladen deeltjesbundels doen wat licht doet voor microscopen:materie verlichten. Hoe intenser de stralen, hoe gemakkelijker wetenschappers het object waar ze naar kijken kunnen onderzoeken. Maar intensiteit heeft een prijs:hoe intenser de stralen, hoe meer ze vatbaar worden voor instabiliteit.

Eén type instabiliteit treedt op wanneer de gemiddelde energie van versnelde deeltjes die door een cirkelvormige machine reizen zijn overgangswaarde bereikt. Het overgangspunt treedt op wanneer de deeltjes met dezelfde snelheid rond de ring draaien, ook al dragen ze niet allemaal dezelfde energie - in feite, ze vertonen een scala aan energieën. De specifieke beweging van de deeltjes nabij de transitie-energie maakt ze extreem vatbaar voor collectieve instabiliteiten.

Deze bijzondere instabiliteiten werden decennialang waargenomen, maar ze werden niet voldoende begrepen. In feite, ze werden verkeerd geïnterpreteerd. In een dit jaar verschenen artikel Ik stel een nieuwe theorie voor over deze instabiliteiten. De toepassing van deze theorie op de Fermilab Booster-versneller voorspelde de belangrijkste kenmerken van de instabiliteit daar op de overgangsovergang, suggesties voor betere manieren om de instabiliteit te onderdrukken. Recente metingen bevestigden de voorspellingen, en meer gedetailleerde experimentele bundelstudies zijn gepland in de nabije toekomst.

Het versnellen van bundels met hoge intensiteit is een cruciaal onderdeel van het wetenschappelijke programma van Fermilab. Een solide theoretisch begrip van het gedrag van deeltjesbundels stelt experimentatoren in staat om de versnellerparameters beter te manipuleren om instabiliteit te onderdrukken. Dit leidt tot de stralen met hoge intensiteit die nodig zijn voor de experimenten van Fermilab in de fundamentele fysica. Het is ook nuttig voor elk experiment of elke instelling die circulaire versnellers gebruikt.

Straalprotonen praten met elkaar door elektromagnetische velden, die van twee soorten zijn. Een daarvan wordt het Coulomb-veld genoemd. Deze velden zijn lokaal en zelf, kan geen instabiliteit veroorzaken. De tweede soort is het kielzogveld. Wake velden worden uitgestraald door de deeltjes en volgen hen, soms ver achter.

Wanneer een deeltje van het stralingspad afdwaalt, het kielzogveld vertaalt dit vertrek naar achteren - in het kielzog dat door het deeltje is achtergelaten. Zelfs een kleine afwijking van het pad ontkomt er misschien niet aan om door deze elektromagnetische velden naar achteren te worden gedragen. Als de stralen sterk genoeg zijn, hun kielzog kan hen destabiliseren.

In de nieuwe theorie Ik stelde een compact wiskundig model voor dat effectief rekening houdt met beide soorten velden, beseffen dat ze allebei belangrijk zijn als ze sterk genoeg zijn, omdat ze meestal in de buurt van transitie-energie zijn.

Dit soort enorme versterking vindt plaats bij CERN's Proton Synchrotron, bijvoorbeeld, zoals ik in mijn recentere paper liet zien, ingediend bij Physical Review Accelerators en Beams. Als het op de een of andere manier niet onderdrukt wordt, deze versterking kan groeien totdat de straal de wand van de vacuümkamer raakt en verloren gaat. Recente metingen bij de Fermilab Booster bevestigden het bestaan ​​van een vergelijkbare instabiliteit daar; er zijn meer metingen gepland voor de nabije toekomst om nieuwe methoden te onderzoeken die zijn voorgesteld om het te verminderen.

Deze verschijnselen worden transversale convectieve instabiliteiten genoemd, en de ontdekkingen hoe ze ontstaan ​​openen nieuwe deuren naar theoretische, numerieke en experimentele manieren om de intense protonenbundels beter te begrijpen en er beter mee om te gaan.