Oavsett om vi lyssnar på musik eller trycker en gunga på lekplatsen är vi alla bekanta med resonanser och hur de förstärker en effekt – till exempel ett ljud eller en rörelse. Men i högintensiva cirkulära partikelacceleratorer kan resonanser vara ett besvär, vilket gör att partiklar flyger från sin kurs och resulterar i strålförlust. Att förutsäga hur resonanser och icke-linjära fenomen påverkar partikelstrålar kräver en mycket komplex dynamik för att lösas upp.

För första gången har forskare vid Super Proton Synchrotron (SPS), i samarbete med forskare vid GSI i Darmstadt, experimentellt kunnat bevisa förekomsten av en viss resonansstruktur. Även om den tidigare teoretiserats och förekommit i simuleringar, är denna struktur mycket svår att studera experimentellt eftersom den påverkar partiklar i ett fyrdimensionellt utrymme.

Dessa senaste resultat, publicerade i Nature Physics , kommer att bidra till att förbättra strålkvaliteten för strålar med låg energi och hög ljusstyrka för LHC-injektorerna vid CERN och SIS18/SIS100-anläggningen vid GSI, såväl som för högenergistrålar med stor ljusstyrka, såsom LHC och framtida högenergikrockare.

"Med dessa resonanser, vad som händer är att partiklar inte följer exakt den väg vi vill ha och sedan flyger iväg och går vilse", säger Giuliano Franchetti, en forskare vid GSI och en av tidningens författare. "Detta orsakar strålförsämring och gör det svårt att nå de nödvändiga strålparametrarna."

Idén att leta efter orsaken till detta dök upp 2002, när forskare vid GSI och CERN insåg att partikelförlusterna ökade när acceleratorer pressade på för högre strålintensitet. "Samarbetet kom från behovet av att förstå vad som begränsade dessa maskiner så att vi kunde leverera strålprestandan och intensiteten som behövs för framtiden", säger Hannes Bartosik, forskare vid CERN och en annan av tidningens författare.

Under många år har teorier och simuleringar utvecklats för att förstå hur resonanser påverkade partikelrörelser i högintensiva strålar. "Det krävde en enorm simuleringsansträngning av stora acceleratorteam för att förstå effekten av resonanserna på strålstabiliteten", säger Frank Schmidt vid CERN, också en av tidningens författare. Simuleringarna visade att resonansstrukturer inducerade av koppling i två frihetsgrader är en av huvudorsakerna till strålförsämring.

Det tog lång tid att tänka ut hur man skulle leta efter dessa resonansstrukturer experimentellt. Detta beror på att de är fyrdimensionella och kräver att strålen mäts i både horisontella och vertikala plan för att se om de finns. "Inom acceleratorfysik finns tänkandet ofta bara i ett plan", tillägger Franchetti.

För att mäta hur resonanser påverkar partikelrörelse, använde forskarna strålpositionsmonitorer runt SPS. Över cirka 3 000 strålpassager mätte monitorerna om partiklarna i strålen var centrerade eller mer åt ena sidan, i både horisontal- och vertikalplanet. Resonansstrukturen som hittades visas i figuren nedan.

"Det som gör vårt senaste fynd så speciellt är att det visar hur enskilda partiklar beter sig i en kopplad resonans", fortsätter Bartosik. "Vi kan visa att de experimentella fynden överensstämmer med vad som hade förutspåtts baserat på teori och simulering."

Även om förekomsten av de kopplade resonansstrukturerna nu har observerats experimentellt, återstår mycket mer att göra för att minska deras skadliga effekt. "Vi utvecklar en teori för att beskriva hur partiklar rör sig i närvaro av dessa resonanser", fortsätter Franchetti. "Med den här studien, tillsammans med alla de tidigare, hoppas vi att vi ska få ledtrådar om hur vi kan undvika eller minimera effekterna av dessa resonanser för nuvarande och framtida acceleratorer."

Mer information: H. Bartosik et al, Observation av fasta linjer inducerade av en icke-linjär resonans i CERN Super Proton Synchrotron, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02338-3

Tillhandahålls av CERN