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    Después de 20 años, Los físicos encuentran una manera de realizar un seguimiento de las partículas de acelerador perdidas.

    La ilustración traza la trayectoria del rayo a medida que pasa a través del cuadrupolo de radiofrecuencia de cobre, el imán dipolo negro, y el sistema de medición ranurado, y en el detector de partículas. La complejidad estructural de la viga aumenta cuando se mide a resoluciones progresivamente más altas. Crédito:ORNL / Jill Hemman

    Un rayo acelerador de alta intensidad está formado por billones de partículas que corren a la velocidad del rayo por un sistema de poderosos imanes y superconductores de alta energía. Calcular la física del rayo es tan complejo que ni siquiera las supercomputadoras más rápidas pueden mantener el ritmo.

    Sin embargo, Un logro histórico de los físicos de aceleradores del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) ha permitido que las caracterizaciones de haces se estudien con un detalle extraordinario. Utilizaron una técnica de medición desarrollada recientemente para comprender mejor la pérdida del haz:partículas perdidas que viajan fuera de los campos de confinamiento del acelerador. Mitigar la pérdida de haz es fundamental para lograr aceleradores más potentes a escalas más pequeñas y menores costos.

    "Es un problema que nos persigue desde hace más de 20 años, ", dijo el físico de aceleradores de ORNL Alexander Aleksandrov." La pérdida de haz es probablemente el mayor problema para los aceleradores de alta intensidad, como el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN y la Fuente de Neutrones de Espalación (SNS) aquí en Oak Ridge ".

    Funcionando a 1,4 megavatios, SNS es una de las instalaciones de investigación insignia del DOE que aprovecha los neutrones para estudiar la energía y los materiales a escala atómica. Los neutrones se crean en SNS impulsando racimos, o legumbres, de protones a casi el 90 por ciento de la velocidad de la luz en el acelerador lineal de la instalación, o linac. Al final del linac, los pulsos del haz de protones chocan contra un recipiente de metal lleno de mercurio líquido en remolino a una velocidad de 60 veces por segundo.

    Las colisiones atómicas crean fragmentos de neutrones, alrededor de 20 neutrones por protón. Luego, los neutrones vuelan a través de moderadores de energía y cámaras de vacío hasta los instrumentos circundantes donde los científicos los usan para estudiar cómo están dispuestos los átomos de un material y cómo se comportan. Esencialmente, aumentar la potencia del acelerador aumenta el número de neutrones creados, lo que a su vez aumenta la productividad científica de la instalación y permite nuevos tipos de experimentos.

    "Idealmente, queremos que todas las partículas del haz se concentren en una sola, nube muy compacta. Cuando las partículas se alejan, forman nubes de baja densidad, llamado halo de haz. Si el halo se vuelve demasiado grande y toca las paredes del acelerador, que da como resultado la pérdida del haz y puede crear efectos de radiación y otros problemas, "dijo Aleksandrov.

    En lugar de realizar las mediciones en SNS, el equipo utilizó una réplica del SNS linac en la instalación de prueba de haces de ORNL. El uso de una réplica permite a los investigadores realizar estudios avanzados de física en el acelerador sin interrumpir los experimentos en la instalación real de producción de neutrones.

    La técnica de medición avanzada se basa en el mismo enfoque que los investigadores utilizaron en 2018 para hacer la primera medición del rayo del acelerador de partículas en seis dimensiones . Mientras que el espacio 3D incluye puntos en la x, y, y ejes z para medir la posición, El espacio 6D tiene tres coordenadas adicionales para medir el ángulo de una partícula, o trayectoria.

    "La técnica es bastante simple. Tomamos un bloque de material con una serie de ranuras que usamos para cortar pequeñas muestras de la viga. Eso nos proporciona una viga que contiene una más pequeña, número de partículas más manejable que podemos medir, y podemos mover ese bloque para medir otras secciones de la viga, "dijo Aleksandrov.

    Las muestras de haz se extrajeron de uno de los componentes de aceleración primarios del linac llamado línea de transporte de haz de energía media. o MEBT. La réplica MEBT, alrededor de 4 metros de largo, incluye un raspador de haz para reducir el halo de haz temprano y proporciona más espacio que los MEBT típicos para otras herramientas de diagnóstico.

    "Pero, en lugar de cortar el espacio de fase 6D, esta vez solo recortamos muestras en un espacio de fase bidimensional, ", dijo." Básicamente, si puede medir en seis dimensiones con una resolución razonable, entonces puede medir en dimensiones más bajas con una resolución mucho más alta ".

    Usando las mediciones 6D como un enfoque de línea de base, la medición en 2-D desbloqueó un nivel de resolución radicalmente mejorado de 1 parte por millón. Una parte por millón es importante para los aceleradores modernos por dos razones:según Aleksandrov. Es la densidad máxima permitida a la que el halo de haz es manejable, y es el nivel de resolución, o rango dinámico, necesario para validar y construir simulaciones de modelado por computadora más precisas del efecto de halo del haz.

    "En el pasado, el modelado de haces a este nivel era una tarea imposible porque las computadoras no eran capaces de calcular miles de millones de partículas; y ahora pueden, pero no se puede hacer con precisión sin estas distribuciones iniciales de haces, "dijo Kiersten Ruisard, un investigador postdoctoral Clifford G. Shull en ORNL. "No conocemos ningún modelo que prediga los patrones de pérdida de haz que se miden en el acelerador real. Es necesario probar nuestros modelos con este nivel de precisión sin precedentes para construir simulaciones más robustas que nos ayuden a mitigar estas pérdidas".

    Medir el haz a una energía relativamente baja de 2,5 megaelectronvoltios proporcionó a los investigadores información sobre cómo modelar el haz a energías más altas. Aleksandrov dijo que ya están trabajando en la próxima mejora técnica, lo que implicará el uso de láseres para medir el haz a una energía significativamente mayor de 1 gigaelectronvoltio. Esa actualización tardará algunos años.

    Los resultados de la investigación del equipo se publican en la revista científica Instrumentos y métodos nucleares en la investigación física . Además de Aleksandrov, Cousineau, y Ruisard, Los autores del artículo incluyen a Alexander Zhukov de ORNL.

    "Aunque ahora podríamos fabricar aceleradores de 100 megavatios, simplemente no es práctico. Serían demasiado grandes y costosos "dijo la física Sarah Cousineau, el jefe de la sección de ciencia y tecnología en la División Aceleradora de Investigación de ORNL. "Mejorar la resolución de la medición a niveles más altos no solo nos permite avanzar en la comprensión y simulación del halo del haz, pero también mejora nuestra comprensión de cómo hacer que los aceleradores sean más potentes, a escalas más pequeñas, ya costos mucho más razonables ".


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