Физики поймали неуловимого «призрака» в ускорителе частиц ЦЕРНа

Физикам удалось измерить и количественно определить невидимую структуру, которая может изменять направление движения частиц в ней и создавать определенные сложности для исследований элементарных частиц в суперпротонном синхротроне. Она возникает в фазовом пространстве, которое может представлять собой одно или несколько состояний движущейся системы. Поскольку для описания структуры требуется четыре состояния, исследователи рассматривают ее как четырехмерную.

Эта структура является результатом явления, известного как резонанс, и возможность ее количественного определения и измерения делает нас на шаг ближе к решению проблемы, характерной для магнитных ускорителей частиц. «При таких резонансах частицы не следуют точно по заданному пути, а разлетаются и теряются, — говорит физик Джулиано Франкетти из GSI в Германии. — Это приводит к расщеплению пучка и затрудняет достижение требуемых параметров».

Резонанс возникает, когда две системы взаимодействуют и синхронизируются. Это может быть резонанс, возникающий между планетарными орбитами при их гравитационном взаимодействии во время движения вокруг звезды, или камертон, который начинает звенеть, когда звуковые волны от другого камертона ударяют по его зубцам.

В ускорителях частиц используются мощные магниты, создающие электромагнитные поля для направления и ускорения пучков частиц в определенном направлении. Из-за несовершенства магнитов в ускорителе могут возникать резонансы, создающие магнитную структуру, которая взаимодействует с частицами.

Чем менее ограничена динамическая система, тем сложнее ее математическое описание. Частицы, движущиеся через ускоритель, обычно описываются с помощью всего двух степеней свободы, что отражает две координаты, необходимые для определения точки на плоскости. Чтобы описать созданные резонансом структуры, необходимо отобразить их с помощью дополнительных характеристик в фазовом пространстве, то есть для отображения каждой точки потребуется четыре параметра.

«Для того, чтобы отобразить резонанс, пучок частиц должен быть измерен как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях», — говорит Франкетти.

Это звучит довольно просто, но если вы привыкли думать о чем-то определенным образом, может потребоваться усилие, чтобы мыслить нестандартно. Понимание влияния резонанса на пучок частиц заняло несколько лет и несколько компьютерных симуляций.

Однако это позволило Франкетти вместе с физиками Ханнесом Бартосиком и Франком Шмидтом из ЦЕРН, наконец, измерить магнитную аномалию. Используя индикаторы положения пучка на суперпротонном синхротроне, они измерили положение частиц примерно для 3 тыс. пучков. Отследив, где частицы были сосредоточены, а где смещены в одну сторону, они смогли составить карту резонанса, преследующего ускоритель.

Следующий шаг — разработка теории, описывающей поведение отдельных частиц в ускорителе под воздействием резонанса. Это, по словам исследователей, в конечном итоге даст им новый способ предотвратить расщепление пучка и добиться его высокой точности, что необходимо для текущих и будущих экспериментов по ускорению частиц.

До этого эксперимент, проведенный исследователями из Технического университета Дармштадта (Германия) и Университета Роскилле (Дания), показал, как в некоторых материалах оно может «перемешиваться». Изучение, как стареет стекло, позволило обнаружить первое физическое доказательство того, что время обратимо.