Fysiker vid Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), i samarbete med forskare i Sydkorea och Tyskland, har utvecklat ett teoretiskt ramverk för att förbättra stabiliteten och intensiteten hos partikelacceleratorstrålar. Forskare använder högenergistrålar, som måste vara stabil och intensiv för att fungera effektivt, för att låsa upp materiens ultimata struktur. Läkare använder medicinska acceleratorer för att producera strålar som kan zappa cancerceller.

"När fysiker designar nästa generations acceleratorer, de kunde använda denna teori för att skapa de mest optimerade fokuserade strålarna, "sa PPPL -fysikern Hong Qin. Dr Qin, Exekutiv dekanus för School of Nuclear Science and Technology vid University of Science and Technology i Kina, är medförfattare till den forskning som beskrivs i novembernumret av Fysiska granskningsbrev .

Dra genom tunnlar eller rör

Acceleratorstrålar består av miljarder laddade partiklar som glider genom tunnlar eller rör innan de kolliderar med sina mål. I vetenskapliga experiment, dessa strålar träffar sina mål med en enorm energitäthet och genererar subatomära partiklar som inte har setts sedan det tidiga universum. Den länge eftertraktade Higgs Boson, partikeln som bär fältet som ger massa till några grundläggande partiklar, upptäcktes på detta sätt i Large Hadron Collider i Europa, världens största och kraftfullaste accelerator.

För att en stråle ska behålla sin intensitet, partiklarna i strålen måste förbli nära varandra när de glider genom strållinjen. Dock, strålen tappar intensitet eftersom den ömsesidiga avstötningen av partiklar och brister i acceleratorn försämrar strålen. För att minimera sådan nedbrytning och förluster, Väggarna på stora acceleratorer är kantade med högprecisionsmagneter för att kontrollera deras rörelse.

Den nya forskningen främjar PPPL:s teoretiska arbete under de senaste sju åren för att förbättra stabiliteten hos strålpartiklar. Teorin kopplar starkt till partiklarnas vertikala och horisontella rörelser - i motsats till standardteorin som behandlar de olika rörelserna som oberoende av varandra. Resultaten av teorin "ger viktiga nya teoretiska verktyg för detaljerad design och analys av strålmanipulationer med hög intensitet, " enligt tidningen.

Ändra en sedan länge modell

Tidningen behandlar ett verk från 1959 av två ryska fysiker som låg till grund för analys av egenskaperna hos högintensiva strålar under de senaste decennierna. Detta arbete anser att partikelrörelserna är frånkopplade. Chung och hans medförfattare modifierar den ryska modellen – kallad Kapchinskij-Vladimirskij-distributionen – för att inkludera alla kopplingskrafter och andra element som kan göra balkarna mer stabila.

Det resulterande teoretiska verktyget, som generaliserade den ryska modellen, överensstämde väl med simuleringsresultat för Emittance Transfer Experiment vid Helmholtz Center i Tyskland, som illustrerade en ny strålmanipuleringsteknik för framtida acceleratorer. Mer intensiva strålar kan möjliggöra upptäckten av nya subatomära partiklar, sa Qin.