Accelererad, laddade partikelstrålar gör vad ljus gör för mikroskop:belyser materia. Ju mer intensiva strålarna är, desto lättare kan forskarna undersöka föremålet de tittar på. Men intensiteten kommer med en kostnad:ju mer intensiva strålarna, desto mer benägna blir de för instabilitet.

En typ av instabilitet uppstår när medelenergin hos accelererade partiklar som färdas genom en cirkulär maskin når sitt övergångsvärde. Övergångspunkten uppstår när partiklarna kretsar runt ringen i samma hastighet, även om de inte alla bär på samma energi – faktiskt, de uppvisar en rad energier. Den specifika rörelsen hos partiklarna nära övergångsenergin gör dem extremt benägna för kollektiva instabiliteter.

Dessa speciella instabiliteter observerades i årtionden, men de förstods inte tillräckligt. Faktiskt, de tolkades fel. I en tidning som publicerades i år, Jag föreslår en ny teori om dessa instabiliteter. Tillämpningen av denna teori på Fermilab Booster-acceleratorn förutspådde huvuddragen i instabiliteten där vid övergångskorsningen, föreslår bättre sätt att undertrycka instabiliteten. De senaste mätningarna bekräftade förutsägelserna, och mer detaljerade experimentella strålstudier planeras inom en snar framtid.

Acceleration av högintensiva strålar är en avgörande del av Fermilabs vetenskapliga program. En gedigen teoretisk förståelse av partikelstrålebeteende utrustar experimentalister för att bättre manipulera acceleratorparametrarna för att undertrycka instabilitet. Detta leder till de högintensiva strålarna som behövs för Fermilabs experiment i fundamental fysik. Det är också användbart för alla experiment eller institutioner som använder cirkulära acceleratorer.

Strålprotoner pratar med varandra genom elektromagnetiska fält, som är av två slag. Det ena kallas Coulomb -fältet. Dessa fält är lokala och, av sig själva, kan inte driva instabilitet. Den andra typen är wake-fältet. Vakna fält utstrålas av partiklarna och följer efter dem, ibland långt efter.

När en partikel avviker från strålbanan, vakningsfältet översätter denna avgång bakåt - i kölvattnet som partikeln lämnar. Även en liten avvikelse från banan undviker kanske inte att bäras bakåt av dessa elektromagnetiska fält. Om strålarna är tillräckligt intensiva, deras kölvatten kan destabilisera dem.

I den nya teorin, Jag föreslog en kompakt matematisk modell som effektivt tar hänsyn till båda typerna av fält, inse att båda är viktiga när de är tillräckligt starka, eftersom de vanligtvis är nära övergångsenergi.

Den här typen av enorm förstärkning sker vid CERNs Proton Synchrotron, till exempel, som jag visade i min senaste tidning, skickas till Physical Review Accelerators and Beams. Om det inte undertrycks på ett eller annat sätt, denna förstärkning kan växa tills strålen vidrör vakuumkammarens vägg och går förlorad. Nyligen genomförda mätningar vid Fermilab Booster bekräftade förekomsten av en liknande instabilitet där; fler mätningar planeras inom en snar framtid för att undersöka nya metoder som föreslås för att mildra det.

Dessa fenomen kallas transversal konvektiv instabilitet, och upptäckterna av hur de uppstår öppnar nya dörrar till teoretiska, numeriska och experimentella sätt att bättre förstå och bättre hantera de intensiva protonstrålarna.