Forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har utvecklat ett icke-invasivt sätt att mäta "spin-melodin" av polariserade protoner vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)-en viktig faktor för att upprätthålla dessa snurrande partiklar.

Tekniken liknar hur magnetisk resonanstomografi (MRI) manipulerar protonspinn för att "se" strukturer inuti kroppen. Och precis som MR, tekniken kan användas som ett "diagnostiskt" verktyg - i detta fall för att förbättra kolliderarens prestanda när den utforskar hur protonernas inre byggstenar bidrar till deras snurr.

"För att förstå hur byggstenarna i protoner - kvarker och gluoner - bidrar till snurr, vi kolliderar strålar av protoner vars individuella spinnriktningar är "polariserade, "betyder anpassad så mycket som möjligt, "sa Thomas Roser, chef för Brookhaven Labs Collider Accelerator Department. Men yttre krafter och några metoder för att mäta avvikelser kan "depolarisera" strålarna.

Den nya tekniken mäter storleken och frekvensen av protonernas precession - en cirkulär avvikelse från dessa snurrande partiklarnas axlar från deras perfekt inriktade bana - utan att destabilisera strålarna.

"Vi kan mäta presession icke -invasivt när acceleratorn fungerar, "Roser sa." Det ger oss information som vi kan använda för att göra justeringar som håller protonerna i linje. "

Vad får protoner att vingla

Med polariserade strålar i RHIC - eller någon cirkulär accelerator - anpassas den genomsnittliga centrifugeringsriktningen för varje protongäng med acceleratorns magnetfält. Men som en snurr som börjar vingla, en protons axel börjar ibland rotera runt en cirkulär bana som avviker från perfekt inriktning. Den wobble är känd som precession.

Om någon extern källa, såsom små brister i magnetfältet, synkroniseras med frekvensen av recession, det kan förstärka protonernas vinglar och få strålen att depolariseras.

"Det har funnits andra sätt att mäta precessionsfrekvensen, men de tekniker som hittills använts effektivt orsakar depolarisering som sådana mätningar skulle försöka undvika, "Roser sa." Vår nya metod mäter frekvensen av presessionen utan att depolarisera strålen så att vi kan göra korrigeringar för att hålla protonerna i linje - eller till och med vända sin rotationsriktning när så önskas. "

Roser förklarade hur den nya tekniken fungerar på samma sätt som MR -skanningar fungerar:Först, ett kraftfullt magnetfält justerar alla protonernas snurr, sedan tillämpar forskare ett externt elektromagnetiskt fält med variabel frekvens, söker efter frekvensen vid vilken protonaxlarna börjar tippa bort från stabila.

"Det är som att ställa in en gammaldags radioknapp för att söka efter en station, "Roser sa." Nyckeln är att komma nära tippfrekvensen utan att utlösa destabilisering. "

Vid MRT, signalerna som genereras av protonernas precession ger information om kroppens inre strukturer. På RHIC ger de information om hur man justerar acceleratorns magneter för att bibehålla strålpolarisering.

Den nya tekniken kommer att leda till en mer stabil och optimerad drift vid RHIC för kärnfysisk forskning-och kan också användas vid en planerad polariserad elektron-jon-kollider som ska placeras i USA.