Naučnici pronašli ''duha'' koji uhodi najveći akcelerator čestica na svijetu

U novom istraživanju objavljenom u časopisu Nature Physics, naučnici iz CERN-a u Švicarskoj i Goethe Sveučilišta u Frankfurtu u Njemačkoj objavili su da su izolirali rezonantnog "duha" koji utječe na ponašanje čestica unutar super protonskog sinhotrona (SPS). To je 3D oblik koji se mijenja tokom vremena, što znači da ga je najbolje mjeriti u 4D. A tajna je isti razlog zbog kojeg prolijete kafu dok se vraćate do stola, piše Popular Mechanics.

SPS je prsten prečnika gotovo sedam kilometara, koji datira iz 1970-ih. To zvuči kao davna prošlost, ali SPS je ostao vitalan u CERN-u. Godine 2019. dobio je nadograđeni "odlagač zraka", koji je poput rampe za kamione za bježanje za svjetla velike snage unutar SPS-a. Dakle, kada su istraživači primijetili duha u stroju, da tako kažem, znali su da je važno mapirati i razumjeti za budući rad.

Duh je uzrokovan rezonancijom. Kada stvari imaju energiju i stvaraju valove, ti valovi mogu djelovati jedni s drugima i stvoriti čudne male lokuse u kojima se energija pojačava. Kada hodate s kafom, svaki korak stvara valove u tekućini koji se na kraju susreću i prelijevaju. Na trampolinu jedna osoba skače "u" skok druge osobe i rezonira se u mnogo viši skok. A u SPS-u prolijevanje vaše harmonijske kafe znači gubitak bitnih fotona u onome što je poznato kao degradacija snopa.

"U fizici akceleratora, razumijevanje rezonancija i nelinearne dinamike ključno je za izbjegavanje gubitka čestica snopa", objašnjavaju naučnici u radu. A koliko je kompliciran raste kako dotični problem dobiva više pokretnih dijelova i više "stepeni slobode". Svaki pokretni dio, uključujući konektore, stvara vlastite vibracije.

Degradacija snopa je veliki problem, pogotovo jer protonski snopovi o kojima je riječ postaju sve energičniji i robusniji. A harmonici u složenim sustavima utječu na svaki eksperiment u kojem čestice međusobno djeluju unutar posude - poput istraživanja nuklearne fuzije u tokamacima. Stoga je harmonijska interferencija također veliki problem u pokušaju postizanja produktivne nuklearne fuzije, stvarajući mrtve tačke gdje tok energije može izgubiti vitalnu toplinsku energiju.

Unutar SPS-a, čestice imaju samo dva stepena slobode, što ne zvuči tako složeno. Poput fotona unutar linije optičkih vlakana, ovi SLS fotoni putuju ukupnom putanjom. Ali oni također mogu "odskočiti" unutar te putanje, jer čak i uska greda ili kabal još uvijek imaju debljinu. 

A taj “odskok” je iskrivljen zbog ljudskog faktora i faktora stvarnosti. SPS je možda jedan od vrhunskih objekata u svijetu, ali sve u nauci mora biti napravljeno s onim što imamo. Magneti koji pokreću ove objekte su nesavršeni, pa čak i male fluktuacije magnetizma mogu izazvati rezonanciju. Kako bi to kvantificirali, istraživači su izvršili mjerenja oko SPS prstena i upotrijebili podatke za izradu matematičkog modela nazvanog Poincaréov presjek.

U Poincaréovoj sekciji stabilizirate jedan element (u ovom slučaju, "fiksnu liniju" koju istraživači spominju u svom radu) i koračate kroz sustav, mapirajući sva sjecišta ostalih elemenata, dok ne formirate cijelu "površinu". Rezultati su poput magnetne rezonance, ali za dinamički sustav, čiji se oblik može mijenjati sa svakim korakom—i, u ovom slučaju, s dodatkom vremena kao četvrte dimenzije. A budući da se rezonancija u zatvorenom sustavu poput SPS-a na kraju ponavlja, 4D površinska studija može se vrtjeti poput dobro napravljenog GIF-a.

U svojoj matematici tim je otkrio da fiksne linije mogu predvidjeti gdje će se čestice skupiti. Odvajanjem vremena za proučavanje i modeliranje fenomena, nadaju se da će pomoći istraživačima koji razvijaju strategije za ublažavanje učinka ovih fiksnih harmoničkih linija. Rad bi također mogao pomoći onima koji konstruiraju nove akceleratore čestica da izbjegnu stvaranje "duhova" magneta, što bi moglo uštedjeti mnogo novca održavajući zrake i podatke netaknutijima i pružajući kvalitetnije rezultate uz manje rada.