Ya sea escuchando música o empujando un columpio en el patio de recreo, todos estamos familiarizados con las resonancias y cómo amplifican un efecto (un sonido o un movimiento, por ejemplo). Sin embargo, en los aceleradores de partículas circulares de alta intensidad, las resonancias pueden ser un inconveniente, ya que hacen que las partículas se desvíen de su curso y provoquen una pérdida del haz. Predecir cómo las resonancias y los fenómenos no lineales afectan a los haces de partículas requiere desentrañar algunas dinámicas muy complejas.
Por primera vez, los científicos del Super Proton Synchrotron (SPS), en colaboración con científicos del GSI en Darmstadt, han podido demostrar experimentalmente la existencia de una estructura de resonancia particular. Si bien ya se había teorizado previamente y había aparecido en simulaciones, esta estructura es muy difícil de estudiar experimentalmente ya que afecta a partículas en un espacio de cuatro dimensiones.
Estos últimos resultados, publicados en Nature Physics , ayudará a mejorar la calidad del haz de baja energía y alto brillo para los inyectores del LHC en el CERN y las instalaciones SIS18/SIS100 en GSI, así como para haces de alta energía con gran luminosidad, como el LHC y los futuros colisionadores de alta energía.
"Con estas resonancias, lo que sucede es que las partículas no siguen exactamente el camino que queremos y luego vuelan y se pierden", dice Giuliano Franchetti, científico del GSI y uno de los autores del artículo. "Esto provoca la degradación del haz y dificulta alcanzar los parámetros requeridos."
La idea de buscar la causa de esto surgió en 2002, cuando los científicos del GSI y el CERN se dieron cuenta de que las pérdidas de partículas aumentaban a medida que los aceleradores presionaban para aumentar la intensidad del haz. "La colaboración surgió de la necesidad de comprender qué limitaba estas máquinas para que pudiéramos ofrecer el rendimiento y la intensidad del haz necesarios para el futuro", afirma Hannes Bartosik, científico del CERN y otro de los autores del artículo.
Durante muchos años, se desarrollaron teorías y simulaciones para comprender cómo las resonancias afectaban el movimiento de las partículas en haces de alta intensidad. "Fue necesario un enorme esfuerzo de simulación por parte de grandes equipos de aceleradores para comprender el efecto de las resonancias en la estabilidad del haz", dice Frank Schmidt del CERN, también uno de los autores del artículo. Las simulaciones mostraron que las estructuras de resonancia inducidas por el acoplamiento en dos grados de libertad son una de las principales causas de la degradación del haz.
Llevó mucho tiempo idear cómo buscar experimentalmente estas estructuras de resonancia. Esto se debe a que son de cuatro dimensiones y requieren que la viga se mida tanto en el plano horizontal como en el vertical para ver si existen. "En la física de aceleradores, el pensamiento suele estar en un solo plano", añade Franchetti.
Para medir cómo las resonancias afectan el movimiento de las partículas, los científicos utilizaron monitores de posición del haz alrededor del SPS. A lo largo de aproximadamente 3.000 pasos del haz, los monitores midieron si las partículas en el haz estaban centradas o más hacia un lado, tanto en el plano horizontal como en el vertical. La estructura de resonancia encontrada se muestra en la siguiente figura.
"Lo que hace que nuestro reciente hallazgo sea tan especial es que muestra cómo se comportan las partículas individuales en una resonancia acoplada", continúa Bartosik. "Podemos demostrar que los hallazgos experimentales concuerdan con lo que se había predicho basándose en la teoría y la simulación."
Si bien ya se ha observado experimentalmente la existencia de estructuras de resonancia acopladas, aún queda mucho por hacer para reducir su efecto perjudicial. "Estamos desarrollando una teoría para describir cómo se mueven las partículas en presencia de estas resonancias", continúa Franchetti. "Con este estudio, junto con todos los anteriores, esperamos obtener pistas sobre cómo evitar o minimizar los efectos de estas resonancias para los aceleradores actuales y futuros."
Más información: H. Bartosik et al, Observación de líneas fijas inducidas por una resonancia no lineal en el Súper Sincrotrón de Protones del CERN, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02338-3
Proporcionado por CERN
