Acceleratorer genererar strålar av subatomära partiklar för banbrytande vetenskap. Ju större strålens intensitet, desto fler möjligheter finns det att studera partikelinteraktioner. Ett sätt att öka intensiteten är att slå ihop två balkar med en teknik som kallas slip-stacking. Dock, när man kombinerar dem, strålarnas interaktion kan orsaka instabilitet.

Här, Jag sammanfattar resultaten av en studie där jag modellerade dessa effekter och drog slutsatsen att en speciell återkoppling skulle göra strålarna mycket mer stabila. Den nödvändiga feedbacken designades och implementerades sedan av Nathan Eddy och hans Fermilab -team. Resultatet var en ökning av protonstråleintensiteten med 20 procent och en minskning av strålförlusten med en faktor två.

Halkstapling fördubblar intensiteten hos partikelstrålar. Dock, det gör dem mer benägna att instabilitet och partikelförluster. För att undertrycka dessa oönskade effekter, en analys och resulterande feedback hjälpte till att bana väg för framtida partikelacceleratorer som är beroende av halkstapling för att uppnå höga intensiteter.

Genom att stapla två separata, full-to-the-brim-balkar, forskare maximerar antalet partiklar som cirkulerar genom ringen. Det är bra för att skapa högintensiva balkar, men det är en avvägning.

Acceleratorgenererade strålar är gjorda av partiklar som kallas klasar. Att påskynda två separata strålar som inte bara är i närheten men vars ingående klasar är i en konstant dans med varandra är en mycket laddad situation. I Fermilabs återvinningsring - en huvudkomponent i laboratoriets accelerationskedja - omfattar varje stråle cirka 500 buntar. Ett så högt antal gjorde kopplad grupp-interaktion till en kraftfull källa till kollektiv instabilitet. Dels för att avstånden mellan de två halkstaplarnas buntar alltid förändras, stråldynamiken är komplicerad att modellera.

En stor effekt är att de interagerande grupperna stöter varandra från sina banor. En matematisk modell av tvåstrålarsystemet föreslogs och analyserades, följt av ett förslag om en återkoppling som undertrycker dessa oönskade avvikelser från vägen. I återkopplingssystemet, pickup -sensorer placerade inuti den cirkulära acceleratorn mäter förskjutningarna av klasarna från deras avsedda banor. En förstärkare tar emot denna information och skickar den sedan till en kicker som ger de vilande gängen en spark som skickar dem på rätt väg.

Strax efter att idén om den speciella återkopplingen föreslogs, ett acceleratorteam under ledning av Eddy konstruerade och installerade enheten i återvinningsringen. Som ett resultat, förlusten av återvinningsbalkarna halverades nästan, och strålintensiteten ökade med 20 procent; protonstråleffekten uppnådde 700 kilowatt, ett av målen för Fermilabs acceleratorprogram.