accelerato, i fasci di particelle cariche fanno ciò che la luce fa per i microscopi:illuminano la materia. Più intensi sono i raggi, più facilmente gli scienziati possono esaminare l'oggetto che stanno guardando. Ma l'intensità ha un costo:più intensi sono i raggi, più diventano inclini alle instabilità.

Un tipo di instabilità si verifica quando l'energia media delle particelle accelerate che viaggiano attraverso una macchina circolare raggiunge il suo valore di transizione. Il punto di transizione si verifica quando le particelle ruotano attorno all'anello alla stessa velocità, anche se non portano tutti la stessa energia, infatti, mostrano una gamma di energie. Il movimento specifico delle particelle vicino all'energia di transizione le rende estremamente soggette a instabilità collettive.

Queste particolari instabilità sono state osservate per decenni, ma non sono stati sufficientemente compresi. Infatti, sono stati male interpretati. In un documento pubblicato quest'anno, Suggerisco una nuova teoria su queste instabilità. L'applicazione di questa teoria all'acceleratore Fermilab Booster ha previsto le caratteristiche principali dell'instabilità lì all'incrocio di transizione, suggerendo modi migliori per sopprimere l'instabilità. Le misurazioni recenti hanno confermato le previsioni, e nel prossimo futuro sono previsti studi sperimentali più dettagliati sul fascio.

L'accelerazione dei raggi ad alta intensità è una parte cruciale del programma scientifico del Fermilab. Una solida comprensione teorica del comportamento del fascio di particelle consente agli sperimentali di manipolare meglio i parametri dell'acceleratore per sopprimere l'instabilità. Questo porta ai fasci ad alta intensità necessari per gli esperimenti del Fermilab nella fisica fondamentale. È anche utile per qualsiasi esperimento o istituzione che utilizza acceleratori circolari.

I protoni del fascio parlano tra loro mediante campi elettromagnetici, che sono di due tipi. Uno è chiamato il campo di Coulomb. Questi campi sono locali e, da soli, non può guidare instabilità. Il secondo tipo è il campo di scia. I campi di scia sono irradiati dalle particelle e si trascinano dietro di loro, a volte molto indietro.

Quando una particella si allontana dal percorso del raggio, il campo della scia traduce questa partenza all'indietro, nella scia lasciata dalla particella. Anche una piccola deviazione dal percorso non può sfuggire a essere trasportata all'indietro da questi campi elettromagnetici. Se i raggi sono abbastanza intensi, le loro scie possono destabilizzarli.

Nella nuova teoria, Ho suggerito un modello matematico compatto che tenga effettivamente conto di entrambi i tipi di campi, rendendosi conto che entrambi sono importanti quando sono abbastanza forti, poiché sono tipicamente vicini all'energia di transizione.

Questo tipo di enorme amplificazione avviene al Proton Synchrotron del CERN, Per esempio, come ho mostrato nel mio articolo più recente, sottoposto a Physical Review Accelerators e Beams. Se non soppresso in un modo o nell'altro, questa amplificazione può crescere fino a quando il raggio tocca la parete della camera a vuoto e si perde. Recenti misurazioni al Fermilab Booster hanno confermato l'esistenza di una simile instabilità lì; ulteriori misurazioni sono previste per il prossimo futuro per esaminare nuovi metodi proposti per mitigarlo.

Questi fenomeni sono chiamati instabilità convettive trasversali, e le scoperte di come sorgono aprono nuove porte alla teoria, modi numerici e sperimentali per una migliore comprensione e una migliore gestione dei fasci di protoni intensi.