En un acelerador de partículas, racimos de partículas elementales circulan alrededor de una órbita cuidadosamente diseñada. Como tienen carga eléctrica, interactúan entre sí y con su entorno, dando lugar a pequeñas oscilaciones alrededor de la trayectoria de referencia (muy parecido a un péndulo). Si la interacción es demasiado fuerte, la amplitud de estas oscilaciones aumenta con el tiempo, empujando la partícula lejos de la órbita. Los investigadores caracterizan este movimiento en términos de su frecuencia, o sintonizar, y su tasa de crecimiento. La amortiguación de Landau ayuda a estabilizar la región de movimiento de partículas que, de otro modo, sería inestable. En su experimento, los investigadores utilizaron la retroalimentación para alcanzar el límite de esta región estable. Crédito:Antipov et al.
Amortiguación Landau, un fenómeno originalmente predicho por Lev Landau en 1946, es fundamental para garantizar la estabilidad del haz colectivo en los aceleradores de partículas. Al medir con precisión la resistencia de la amortiguación Landau, los físicos pueden predecir la estabilidad de los haces en colisionadores de alta energía.
Investigadores de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) introdujeron recientemente un procedimiento para medir la fuerza de la amortiguación Landau y los límites de la estabilidad del haz para colisionadores de alta energía. Este procedimiento, esbozado en un artículo publicado en Cartas de revisión física , se basa en el uso de una retroalimentación transversal activa como fuente controlable de impedancia de acoplamiento de haz.
"La amortiguación de Landau es un fenómeno fascinante que ocurre en los plasmas, "Sergey Antipov, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Es una supresión de perturbaciones externas del sistema dinámico a través del comportamiento incoherente colectivo de sus elementos individuales. Los diferentes miembros reaccionan a la excitación de manera ligeramente diferente, interactuar y compartir energía entre sí y, como resultado, la excitación se amortigua, creando una especie de orden a partir del caos ".
Landaus predijo la amortiguación por primera vez mientras analizaba la ecuación de Vlasov, que es esencialmente el "modelo estándar" de la física del plasma. En un artículo publicado en 1946, Landau demostró que las ondas electromagnéticas que se propagan a través del plasma deberían decaer incluso si el plasma en sí no tiene fricción (es decir, sin energía de disipación).
"En aquel momento, esta conclusión poco intuitiva fue muy debatida, hasta que finalmente se observó 20 años después de la hipótesis, ", Dijo Antipov." Sólo en 2009, Los matemáticos Mouhot y Villani finalmente resolvieron la ecuación rigurosamente, poniendo una base matemática sólida bajo la existencia de la amortiguación de Landau, por lo que ganaron el premio Fields ".
El movimiento de partículas dentro de aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), también sigue las reglas delineadas por la ecuación de Vlasov. Como resultado, La amortiguación Landau también existe en haces de partículas dentro de estos aceleradores.
Los físicos confían en la amortiguación de Landau para suprimir los movimientos indeseables que pueden resultar de la interacción de un haz de partículas con su entorno a través de campos de estela electromagnéticos inducidos. Hasta aquí, Los investigadores solo han podido estimar la fuerza de la amortiguación de Landau en un haz de partículas utilizando una serie de modelos simples, ya que no había forma de medir directamente su fuerza.
"Un día, mis colegas y yo estábamos sentados a la mesa después de un taller de física en el Evian francés, en los días en que todavía había talleres en vivo, "Explicó Antipov." Después de un par de copas y una buena comida, la conversación pasó de los problemas operativos, el tema del taller, a cosas más divertidas que podríamos hacer con el colisionador LHC. Fue entonces cuando me propuse probar y medir la amortiguación de Landau. Resultó que el sistema de retroalimentación del LHC podría ser capaz de hacer eso, y el responsable de la misma, Daniel, estaba sentado frente a mí ".
La idea general detrás del procedimiento ideado por Antipov y sus colegas era utilizar un sistema de retroalimentación transversal para emular la fuerza colectiva que actúa sobre un haz de partículas. Típicamente, esta retroalimentación mide la órbita del rayo. Si la órbita se desvía del diseño deseado, el rayo puede entonces "moverse" en la dirección correcta.
"Configuramos el sistema de retroalimentación transversal de manera que su ganancia y su retardo de fase variaran con la amplitud del movimiento del haz, de la misma manera que lo haría la fuerza de auto-despertar del rayo, ", Dijo Antipov." Esta configuración nos permitió impulsar una inestabilidad colectiva en la viga, pero al mismo tiempo, mantenlo bajo control. "Luego, simplemente variamos la fuerza desestabilizadora hasta que vimos que Landau amortiguaba la superación y estabilizaba el rayo; ahí es cuando los dos efectos, la inestabilidad y la amortiguación, son iguales, y así es como se conoce la fuerza de la amortiguación Landau en la viga ".
Antipov y sus colegas evaluaron el procedimiento que desarrollaron en una prueba de principio realizada en el LHC. Sus hallazgos destacan el potencial de su método, lo que sugiere que podría usarse para predecir con precisión la estabilidad del haz en colisionadores de alta energía de última generación.
"El LHC es una máquina única para realizar estudios en cuanto a sus capacidades, pero tiene un costo ", Dijo Antipov." Debido a que la máquina es tan cara y sensible, todo debería funcionar desde el primer intento, sin ensayo y error, y el fracaso no es una opción. Por lo tanto, reunimos un pequeño grupo de expertos y comenzamos a preparar el plan. Llevó un poco de tiempo actualizar los comentarios, para estudiar diferentes escenarios y encontrar los parámetros correctos donde era más probable que hiciéramos una medición limpia. Luego, un sábado por la noche, acabamos de ir a la sala de control, se sentó allí toda la noche y lo hizo ".
La prueba de prueba de principio realizada por este equipo de investigadores demuestra que es posible medir directamente la resistencia de la amortiguación de Landau. Además, Antipov y sus colegas identificaron las condiciones necesarias para recolectar tal medida.
En el futuro, Por lo tanto, su trabajo podría servir como una receta que otros equipos pueden seguir para cuantificar con precisión la fuerza de la amortiguación Landau. Mientras tanto, el equipo de la Organización Europea para la Investigación Nuclear planea probar el procedimiento en otras máquinas y colisionadores en el CERN en Suiza y GSI en Alemania.
"La aplicación más interesante de nuestro procedimiento parece estar en aceleradores de alta intensidad de baja energía, donde las fuerzas de Coulomb fuertes afectan drásticamente el comportamiento colectivo de las partículas en un haz, "Dijo Antipov." Ahí es donde la amortiguación de Landau debe jugar un papel crucial en la estabilización de los haces de partículas, pero actualmente no existe un modelo teórico sólido, por lo que los científicos de aceleradores tienen que confiar en sofisticadas simulaciones numéricas. Ojalá, un método experimental ayudará a arrojar algo de luz sobre el problema ".
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