Landau demping, een fenomeen dat oorspronkelijk werd voorspeld door Lev Landau in 1946, is essentieel om de collectieve bundelstabiliteit in deeltjesversnellers te waarborgen. Door nauwkeurig de sterkte van Landau-demping te meten, natuurkundigen kunnen de stabiliteit van bundels in hoogenergetische botsers voorspellen.

Onderzoekers van de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) hebben onlangs een procedure geïntroduceerd om de sterkte van Landau-demping en de limieten van de straalstabiliteit voor hoogenergetische versnellers te meten. Deze procedure, geschetst in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , is gebaseerd op het gebruik van een actieve transversale feedback als een regelbare bron van bundelkoppelingsimpedantie.

"Landau-demping is een fascinerend fenomeen dat plaatsvindt in plasma's, "Sergey Antipov, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Het is een onderdrukking van externe verstoringen van het dynamische systeem door collectief onsamenhangend gedrag van zijn individuele elementen. Verschillende leden reageren iets anders op de excitatie, interactie en energie met elkaar delen en als resultaat wordt de opwinding gedempt, het creëren van een soort orde van chaos."

Landaus voorspelde voor het eerst demping terwijl hij de Vlasov-vergelijking analyseerde, wat in wezen het "standaardmodel" van plasmafysica is. In een artikel gepubliceerd in 1946, Landau toonde aan dat elektromagnetische golven die zich door plasma voortplanten, zouden moeten vervallen, zelfs als het plasma zelf geen wrijving heeft (d.w.z. geen dissipatie-energie).

"Vroeger, deze niet-intuïtieve conclusie werd hevig gedebatteerd, totdat het uiteindelijk werd waargenomen 20 jaar nadat het werd verondersteld, " zei Antipov. "Alleen in 2009, wiskundigen Mouhot en Villani hebben de vergelijking uiteindelijk rigoureus opgelost, een solide wiskundige basis leggen onder het bestaan ​​​​van Landau-demping, waarvoor ze de Fields-prijs verdienden."

De beweging van deeltjes in deeltjesversnellers, zoals de Large Hadron Collider (LHC), volgt ook de regels van de Vlasov-vergelijking. Als resultaat, Landau-demping bestaat ook in deeltjesbundels in deze versnellers.

Natuurkundigen vertrouwen op Landau-demping om ongewenste bewegingen te onderdrukken die het gevolg kunnen zijn van de interactie van een deeltjesbundel met zijn omgeving via geïnduceerde elektromagnetische wakefields. Tot dusver, onderzoekers hebben de sterkte van Landau-demping in een deeltjesbundel alleen kunnen schatten met behulp van een reeks eenvoudige modellen, omdat er geen manier was om de sterkte ervan direct te meten.

"Op een dag, mijn collega's en ik zaten aan een eettafel na een natuurkunde workshop in het Franse Evian, in de tijd dat er nog live workshops waren, " legde Antipov uit. "Na een paar drankjes en lekker eten, het gesprek verschoof van de operationele kwesties, het onderwerp van de workshop, naar meer leuke dingen die we met de LHC-versneller zouden kunnen doen. Toen heb ik voorgesteld om de Landau-demping te gaan meten. Het bleek dat het LHC-feedbacksysteem daartoe in staat zou kunnen zijn, en de persoon die er verantwoordelijk voor is, Daniël, zat recht voor me."

Het algemene idee achter de procedure die door Antipov en zijn collega's was bedacht, was om een ​​transversaal feedbacksysteem te gebruiken om de collectieve kracht die op een deeltjesbundel inwerkt, na te bootsen. Typisch, deze feedback meet de baan van de straal. Als de baan afwijkt van het gewenste ontwerp, de balk kan dan in de goede richting worden 'bewogen'.

"We hebben het transversale feedbacksysteem zo ingesteld dat de versterking en de fasevertraging varieerden met de amplitude van de beweging van de straal, op dezelfde manier zou de zelf-waakkracht van de straal, Antipov zei. "Deze opstelling stelde ons in staat om een ​​collectieve instabiliteit in de straal te veroorzaken, maar op het zelfde moment, houd het onder controle. "Vervolgens, we hebben net de destabiliserende kracht gevarieerd totdat we Landau de demping zagen overwinnen en de straal stabiliseren - dat is wanneer de twee effecten, de instabiliteit en de demping, zijn gelijk - en zo ken je de kracht van Landau-demping in de balk."

Antipov en zijn collega's evalueerden de procedure die ze ontwikkelden in een proof-of-principle-test uitgevoerd bij de LHC. Hun bevindingen benadrukken het potentieel van hun methode, wat suggereert dat het kan worden gebruikt om de straalstabiliteit nauwkeurig te voorspellen in ultramoderne hoogenergetische versnellers.

"De LHC is een unieke machine om studies uit te voeren in termen van zijn mogelijkheden, maar daar hangt een prijskaartje aan "Zei Antipov. "Omdat de machine zo duur en gevoelig is, alles zou vanaf de eerste poging moeten werken, zonder vallen en opstaan, en falen is geen optie. Zo verzamelden we een kleine groep experts en begonnen we het plan op te stellen. Het kostte wat tijd om de feedback te upgraden, om verschillende scenario's te bestuderen en de juiste parameters te vinden waar we het meest waarschijnlijk een schone meting zouden doen. Vervolgens, een zaterdagavond, we gingen net naar de controlekamer, zat daar de hele nacht en deed het."

De proof-of-principle-test van dit team van onderzoekers bewijst dat het direct meten van de sterkte van Landau-demping mogelijk is. In aanvulling, Antipov en zijn collega's identificeerden de voorwaarden die nodig zijn om een ​​dergelijke meting te verzamelen.

In de toekomst, hun werk zou dus kunnen dienen als een recept dat andere teams kunnen volgen om de sterkte van Landau-demping nauwkeurig te kwantificeren. In de tussentijd, het team van de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek is van plan om de procedure te testen op andere machines en versnellers bij CERN in Zwitserland en GSI in Duitsland.

"De meest interessante toepassing voor onze procedure lijkt te zijn op versnellers met een lagere energie en hoge intensiteit, waar sterke Coulomb-krachten het collectieve gedrag van de deeltjes in een bundel drastisch beïnvloeden, Antipov zei. "Dat is waar Landau-demping een cruciale rol moet spelen bij het stabiliseren van deeltjesbundels, maar momenteel bestaat er geen solide theoretisch model, dus versnellerwetenschappers moeten vertrouwen op geavanceerde numerieke simulaties. Hopelijk, een experimentele methode zal helpen om enig licht op het probleem te werpen."

© 2021 Science X Network