Acelerado, Los rayos de partículas cargadas hacen lo que la luz hace con los microscopios:iluminar la materia. Cuanto más intensos son los rayos, más fácilmente los científicos pueden examinar el objeto que están mirando. Pero la intensidad tiene un costo:cuanto más intensos son los rayos, cuanto más propensos a sufrir inestabilidades.

Un tipo de inestabilidad ocurre cuando la energía promedio de las partículas aceleradas que viajan a través de una máquina circular alcanza su valor de transición. El punto de transición ocurre cuando las partículas giran alrededor del anillo a la misma velocidad, aunque no todos llevan la misma energía, de hecho, exhiben una gama de energías. El movimiento específico de las partículas cerca de la energía de transición las hace extremadamente propensas a inestabilidades colectivas.

Estas inestabilidades particulares se observaron durante décadas, pero no se comprendieron lo suficiente. De hecho, fueron malinterpretados. En un artículo publicado este año, Sugiero una nueva teoría sobre estas inestabilidades. La aplicación de esta teoría al acelerador Fermilab Booster predijo las principales características de la inestabilidad allí en el cruce de transición, sugiriendo mejores formas de suprimir la inestabilidad. Las mediciones recientes confirmaron las predicciones, y en un futuro próximo se planifican estudios experimentales de haces más detallados.

Acelerar los haces de alta intensidad es una parte crucial del programa científico de Fermilab. Una sólida comprensión teórica del comportamiento del haz de partículas equipa a los experimentadores para manipular mejor los parámetros del acelerador para suprimir la inestabilidad. Esto conduce a los haces de alta intensidad necesarios para los experimentos de Fermilab en física fundamental. También es útil para cualquier experimento o institución que opere aceleradores circulares.

Los protones de haz se comunican entre sí mediante campos electromagnéticos, que son de dos tipos. Uno se llama campo de Coulomb. Estos campos son locales y, por ellos mismos, no puede generar inestabilidades. El segundo tipo es el campo de estela. Los campos de vigilia son irradiados por las partículas y se arrastran detrás de ellas, a veces muy atrás.

Cuando una partícula se aleja de la trayectoria del rayo, el campo de estela traduce esta partida hacia atrás, en la estela dejada por la partícula. Incluso una pequeña desviación del camino puede no escapar de ser llevada hacia atrás por estos campos electromagnéticos. Si los rayos son lo suficientemente intensos, sus estelas pueden desestabilizarlos.

En la nueva teoría, Sugerí un modelo matemático compacto que efectivamente toma en cuenta ambos tipos de campos, dándose cuenta de que ambos son importantes cuando son lo suficientemente fuertes, ya que normalmente están cerca de la energía de transición.

Este tipo de enorme amplificación ocurre en el sincrotrón de protones del CERN, por ejemplo, como mostré en mi artículo más reciente, sometido a Aceleradores y Vigas de Revisión Física. Si no se suprime de una forma u otra, esta amplificación puede crecer hasta que el rayo toque la pared de la cámara de vacío y se pierda. Las mediciones recientes en el Fermilab Booster confirmaron la existencia de una inestabilidad similar allí; Se planean más mediciones para el futuro cercano para examinar los nuevos métodos propuestos para mitigarlo.

Estos fenómenos se denominan inestabilidades convectivas transversales, y los descubrimientos de cómo surgen abren nuevas puertas a la teoría, formas numéricas y experimentales para comprender mejor y tratar mejor los intensos haces de protones.