Gli acceleratori generano fasci di particelle subatomiche per la scienza all'avanguardia. Maggiore è l'intensità di un raggio, più opportunità ci sono per studiare le interazioni tra particelle. Un modo per aumentare l'intensità è unire due fasci con una tecnica chiamata slip-stacking. Però, quando li combini, l'interazione dei raggi può causare instabilità.

Qui, Riassumo i risultati di uno studio in cui ho modellato questi effetti e ho concluso che un feedback speciale renderebbe i raggi molto più stabili. Il feedback richiesto è stato quindi progettato e implementato da Nathan Eddy e dal suo team Fermilab. Il risultato è stato un aumento del 20% dell'intensità del fascio di protoni e una riduzione della perdita del fascio di un fattore due.

Slip-stacking raddoppia l'intensità dei fasci di particelle. Però, li rende più inclini a instabilità e perdite di particelle. Per sopprimere questi effetti indesiderati, un'analisi e il feedback risultante hanno contribuito a spianare la strada ai futuri acceleratori di particelle che si affidano allo slip-stacking per raggiungere intensità elevate.

Impilando due separati, travi a tutta altezza, i ricercatori massimizzano il numero di particelle che circolano attraverso l'anello. Va bene per creare raggi ad alta intensità, ma c'è un compromesso.

I fasci generati dall'acceleratore sono costituiti da fasci di particelle chiamati fasci. L'accelerazione di due fasci separati che non sono solo molto vicini, ma i cui grappoli costituenti sono in costante danza l'uno con l'altro, è una situazione molto carica. Nel Recycler Ring del Fermilab, un componente importante della catena dell'acceleratore del laboratorio, ogni raggio comprende circa 500 grappoli. Un numero così alto ha reso l'interazione a gruppo accoppiato una potente fonte di instabilità collettiva. In parte perché le distanze tra i due grappoli di travi impilabili cambiano continuamente, la dinamica del fascio è complicata da modellare.

Un effetto importante è che i grappoli interagenti si urtano a vicenda fuori dalle loro orbite. È stato suggerito e analizzato un modello matematico del sistema a due raggi, seguita da una proposta di feedback che sopprima queste deviazioni indesiderabili dal percorso. Nel sistema di feedback, sensori di prelievo posti all'interno dell'acceleratore circolare misurano gli scostamenti dei grappoli dalle orbite previste. Un amplificatore riceve queste informazioni e poi le invia a un kicker che dà ai grappoli vaganti un calcio che li manda sulla retta via.

Subito dopo che l'idea del feedback speciale è stata proposta, un team di acceleratori guidato da Eddy ha progettato e installato il dispositivo nel Recycler Ring. Di conseguenza, le perdite del raggio Recycler sono state quasi dimezzate, e l'intensità del raggio è aumentata del 20 percento; la potenza del raggio di protoni ha raggiunto 700 kilowatt, uno degli obiettivi del programma di accelerazione del Fermilab.