Voor het eerst hebben wetenschappers van het Super Proton Synchrotron (SPS), in samenwerking met wetenschappers van GSI in Darmstadt, experimenteel het bestaan ​​van een bepaalde resonantiestructuur kunnen bewijzen. Hoewel deze structuur eerder werd getheoretiseerd en in simulaties verscheen, is deze structuur zeer moeilijk experimenteel te bestuderen, omdat deze deeltjes in een vierdimensionale ruimte beïnvloedt.

Deze nieuwste resultaten, gepubliceerd in Nature Physics , zal helpen de bundelkwaliteit te verbeteren voor bundels met lage energie en hoge helderheid voor de LHC-injectoren op CERN en de SIS18/SIS100-faciliteit bij GSI, evenals voor hoogenergetische bundels met grote helderheid, zoals de LHC en toekomstige hoogenergetische botsers.

“Wat er met deze resonanties gebeurt, is dat deeltjes niet precies het pad volgen dat we willen, waarna ze wegvliegen en verdwalen”, zegt Giuliano Franchetti, wetenschapper bij GSI en een van de auteurs van het artikel. "Dit veroorzaakt straalverslechtering en maakt het moeilijk om de vereiste straalparameters te bereiken."

Het idee om naar de oorzaak hiervan te zoeken ontstond in 2002, toen wetenschappers van GSI en CERN zich realiseerden dat deeltjesverliezen toenamen naarmate versnellers aandrongen op een hogere bundelintensiteit. "De samenwerking kwam voort uit de behoefte om te begrijpen wat deze machines beperkte, zodat we de straalprestaties en -intensiteit konden leveren die nodig zijn voor de toekomst", zegt Hannes Bartosik, een wetenschapper bij CERN en een andere auteur van het artikel.

Gedurende vele jaren werden theorieën en simulaties ontwikkeld om te begrijpen hoe resonanties de beweging van deeltjes in bundels met hoge intensiteit beïnvloedden. "Het vergde een enorme simulatie-inspanning van grote versnellerteams om het effect van de resonanties op de stabiliteit van de straal te begrijpen", zegt Frank Schmidt van CERN, tevens een van de auteurs van het artikel. Uit de simulaties bleek dat resonantiestructuren die worden geïnduceerd door koppeling in twee vrijheidsgraden een van de belangrijkste oorzaken zijn van degradatie van de straal.

Het kostte veel tijd om te bedenken hoe experimenteel naar deze resonantiestructuren kon worden gezocht. Dit komt omdat ze vierdimensionaal zijn en vereisen dat de straal zowel in het horizontale als het verticale vlak wordt gemeten om te zien of ze bestaan. "In de versnellerfysica bevindt het denken zich vaak in slechts één vlak", voegt Franchetti toe.

Om te meten hoe resonanties de beweging van deeltjes beïnvloeden, gebruikten de wetenschappers straalpositiemonitors rond de SPS. Tijdens ongeveer 3.000 straaldoorgangen maten de monitoren of de deeltjes in de straal gecentreerd waren of meer naar één kant, zowel in het horizontale als in het verticale vlak. De gevonden resonantiestructuur is weergegeven in onderstaande figuur.

‘Wat onze recente bevinding zo bijzonder maakt, is dat ze laat zien hoe individuele deeltjes zich gedragen in een gekoppelde resonantie’, vervolgt Bartosik. "We kunnen aantonen dat de experimentele bevindingen overeenkomen met wat was voorspeld op basis van theorie en simulatie."

Hoewel het bestaan ​​van de gekoppelde resonantiestructuren nu experimenteel is waargenomen, moet er nog veel meer worden gedaan om hun schadelijke effect te verminderen. "We ontwikkelen een theorie om te beschrijven hoe deeltjes bewegen in de aanwezigheid van deze resonanties", vervolgt Franchetti. "Met deze studie, gekoppeld aan alle voorgaande, hopen we aanwijzingen te krijgen over hoe we de effecten van deze resonanties voor huidige en toekomstige versnellers kunnen vermijden of minimaliseren."

Meer informatie: H. Bartosik et al, Observatie van vaste lijnen veroorzaakt door een niet-lineaire resonantie in de CERN Super Proton Synchrotron, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02338-3

Geleverd door CERN