Landau dämpning, ett fenomen som ursprungligen förutspåddes av Lev Landau 1946, är avgörande för att säkerställa den kollektiva strålstabiliteten i partikelacceleratorer. Genom att exakt mäta styrkan hos Landau -dämpning, fysiker kan förutsäga stabiliteten hos strålar i högenergikolliderare.

Forskare vid European Organization for Nuclear Research (CERN) introducerade nyligen en procedur för att mäta styrkan hos Landau-dämpning och gränserna för strålstabilitet för högenergikolliderare. Detta förfarande, beskrivs i en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , är baserad på användningen av en aktiv tvärgående återkoppling som en styrbar källa för strålkopplingsimpedans.

"Landau-dämpning är ett fascinerande fenomen som händer i plasma, "Sergey Antipov, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Det är ett undertryckande av yttre störningar av det dynamiska systemet genom kollektivt osammanhängande beteende av dess individuella element. Olika medlemmar reagerar på excitationen lite olika, interagerar och delar energi med varandra och som ett resultat dämpas excitationen, skapa en sorts ordning från kaos."

Landaus förutspådde först dämpning medan han analyserade Vlasov -ekvationen, som i huvudsak är "standardmodellen" för plasmafysik. I en tidning publicerad 1946, Landau visade att elektromagnetiska vågor som utbreder sig genom plasma bör sönderfalla även om själva plasmat inte har någon friktion (d.v.s. ingen spridningsenergi).

"Då, denna ointuitiva slutsats var mycket omdiskuterad, tills det slutligen observerades 20 år efter att det antogs, " sa Antipov. "Först 2009, matematikerna Mouhot och Villani löste slutligen ekvationen rigoröst, lägga en solid matematisk grund under existensen av Landau-dämpning, som de fick Fields -priset för. "

Rörelsen av partiklar inuti partikelacceleratorer, som Large Hadron Collider (LHC), följer också reglerna som skisserats av Vlasov-ekvationen. Som ett resultat, Landau -dämpning finns också i partikelstrålar inuti dessa acceleratorer.

Fysiker förlitar sig på Landau-dämpning för att undertrycka oönskade rörelser som kan bli resultatet av interaktionen av en partikelstråle med dess omgivning genom inducerade elektromagnetiska vakfält. Än så länge, forskare har bara kunnat uppskatta styrkan av Landau-dämpning i en partikelstråle med hjälp av en serie enkla modeller, eftersom det inte fanns något sätt att direkt mäta dess styrka.

"En dag, mina kollegor och jag satt vid ett middagsbord efter en fysikworkshop i franska Evian, förr i tiden när det fortfarande fanns liveverkstäder, "Antipov förklarade." Efter ett par drinkar och god mat, konversationen skiftade från de operativa frågorna, ämnet för workshopen, till roligare saker vi skulle kunna göra med LHC-kollideren. Det var då jag föreslog att försöka mäta Landau -dämpning. Det visade sig att LHC-feedbacksystemet kunde göra det, och den person som ansvarar för det, Daniel, satt precis framför mig."

Den allmänna idén bakom proceduren som Antipov och hans kollegor utarbetade var att använda ett tvärgående återkopplingssystem för att efterlikna den kollektiva kraften som verkar på en partikelstråle. Vanligtvis, denna återkoppling mäter strålens bana. Om omloppsbanan avviker från den önskade designen, strålen kan sedan 'flyttas' i rätt riktning.

"Vi ställer in det tvärgående återkopplingssystemet på ett sätt att dess förstärkning och dess fasfördröjning varierade med amplituden för strålens rörelse, på samma sätt som strålens självuppvaknande kraft skulle, ", sa Antipov. "Denna uppställning tillät oss att driva en kollektiv instabilitet i strålen, men samtidigt, hålla det under kontroll. "Sedan, vi varierade bara den destabiliserande kraften tills vi såg Landau dämpning övervinna den och stabilisera strålen – det var då de två effekterna, instabiliteten och dämpningen, är lika - och det är så du vet styrkan hos Landau-dämpningen i balken."

Antipov och hans kollegor utvärderade proceduren som de utvecklade i ett principprövningstest utfört vid LHC. Deras resultat belyser deras metods potential, vilket tyder på att det skulle kunna användas för att exakt förutsäga strålstabilitet i toppmoderna högenergikolliderare.

"LHC är en unik maskin för att utföra studier när det gäller dess kapacitet, men det kommer med en kostnad, " sa Antipov. "Eftersom maskinen är så dyr och känslig, allt borde fungera från första försöket, utan försök och misstag, och misslyckande är inte ett alternativ. Vi samlade därför ihop en liten grupp experter och började förbereda planen. Det tog lite tid att uppgradera feedbacken, att studera olika scenarier och hitta de rätta parametrarna där vi med största sannolikhet skulle göra en ren mätning. Sedan, en lördagskväll, vi gick precis till kontrollrummet, satt där hela natten och gjorde det. "

Principtestet utfört av detta team av forskare bevisar att det är möjligt att direkt mäta styrkan hos Landau-dämpningen. Dessutom, Antipov och hans kollegor identifierade de villkor som var nödvändiga för att samla in en sådan mätning.

I framtiden, deras arbete skulle därmed kunna fungera som ett recept som andra team kan följa för att exakt kvantifiera styrkan hos Landau-dämpningen. Under tiden, teamet vid European Organization for Nuclear Research planerar att testa proceduren på andra maskiner och kolliderar vid CERN i Schweiz och GSI i Tyskland.

"Den mest intressanta applikationen för vår procedur verkar vara på lågenergiacceleratorer med hög intensitet, där starka Coulomb -krafter påverkar partiklarnas kollektiva beteende i en stråle drastiskt, ", sa Antipov. "Det är där Landau-dämpning måste spela en avgörande roll för att stabilisera partikelstrålar, men för närvarande finns ingen solid teoretisk modell, så acceleratorforskare måste förlita sig på sofistikerade numeriska simuleringar. Förhoppningsvis, en experimentell metod hjälper till att belysa problemet. "

© 2021 Science X Network