Un raggio acceleratore ad alta intensità è formato da trilioni di particelle che corrono alla velocità della luce lungo un sistema di potenti magneti e superconduttori ad alta energia. Il calcolo della fisica del raggio è così complesso che nemmeno i supercomputer più veloci possono tenere il passo.

Però, una pietra miliare dei fisici degli acceleratori dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia (DOE) ha permesso di studiare le caratterizzazioni dei fasci con nuovi dettagli straordinari. Hanno utilizzato una tecnica di misurazione di nuova concezione per comprendere meglio la perdita del raggio:le particelle vaganti che viaggiano al di fuori dei campi di confinamento dell'acceleratore. Mitigare la perdita del raggio è fondamentale per realizzare acceleratori più potenti su scale più piccole ea costi inferiori.

"È un problema che ci perseguita da più di 20 anni, " ha affermato il fisico degli acceleratori dell'ORNL Alexander Aleksandrov. "La perdita del raggio è probabilmente il problema più grande per gli acceleratori ad alta intensità, come il Large Hadron Collider al CERN e la Spallation Neutron Source (SNS) qui a Oak Ridge."

Operando a 1,4 megawatt, SNS è una delle strutture di ricerca di punta del DOE che sfrutta i neutroni per studiare energia e materiali su scala atomica. I neutroni sono creati a SNS spingendo grappoli, o impulsi, di protoni a quasi il 90% della velocità della luce lungo l'acceleratore lineare della struttura, o linac. Alla fine del linac, gli impulsi del fascio di protoni si schiantano contro un recipiente bersaglio di metallo pieno di mercurio liquido vorticoso a una velocità di 60 volte al secondo.

Le collisioni atomiche creano scheggiature di neutroni, circa 20 neutroni per protone. I neutroni quindi volano attraverso i moderatori di energia e le camere a vuoto verso gli strumenti circostanti dove gli scienziati li usano per studiare come sono disposti gli atomi di un materiale e come si comportano. Essenzialmente, aumentando la potenza dell'acceleratore aumenta il numero di neutroni creati, che a sua volta aumenta la produttività scientifica della struttura e consente nuovi tipi di esperimenti.

"Idealmente, vogliamo che tutte le particelle nel raggio siano concentrate in un unico, nuvola molto compatta. Quando le particelle si allontanano, formano nuvole a bassa densità, chiamato alone di raggio. Se l'alone diventa troppo grande e tocca le pareti dell'acceleratore, che provoca la perdita del raggio e può creare effetti di radiazioni e altri problemi, " disse Aleksandrov.

Invece di effettuare le misurazioni a SNS, il team ha utilizzato una replica del linac SNS presso il Beam Test Facility dell'ORNL. L'utilizzo di una replica consente ai ricercatori di condurre studi di fisica avanzati sull'acceleratore senza interrompere gli esperimenti nell'attuale impianto di produzione di neutroni.

La tecnica di misurazione avanzata si basa sullo stesso approccio utilizzato dai ricercatori nel 2018 per realizzare la prima misurazione del raggio dell'acceleratore di particelle in sei dimensioni . Mentre lo spazio 3D include punti sulla x, si, e z per misurare la posizione, Lo spazio 6D ha tre coordinate aggiuntive per misurare l'angolo di una particella, o traiettoria.

"La tecnica è in realtà abbastanza semplice. Prendiamo un blocco di materiale con una serie di fenditure che usiamo per ritagliare piccoli campioni del fascio. Questo ci fornisce un fascio contenente un fascio più piccolo, numero più gestibile di particelle che possiamo misurare, e possiamo spostare quel blocco per misurare altre sezioni del raggio, " disse Aleksandrov.

I campioni di fascio sono stati estratti da uno dei componenti primari di accelerazione del linac chiamato linea di trasporto del fascio di media energia, o MEBT. La replica MEBT, lungo circa 4 metri, include un raschiatore del raggio per ridurre l'alone precoce del raggio e fornisce più spazio rispetto ai tipici MEBT per altri strumenti diagnostici.

"Ma, invece di tagliare lo spazio delle fasi 6D, questa volta abbiamo solo ritagliato campioni nello spazio delle fasi bidimensionale, " ha detto. "Fondamentalmente, se puoi misurare in sei dimensioni con una risoluzione ragionevole, quindi puoi misurare in dimensioni inferiori con una risoluzione molto più alta."

Utilizzando le misurazioni 6D come approccio di base, la misurazione in 2-D ha sbloccato un livello di risoluzione radicalmente migliorato di 1 parte per milione. Una parte per milione è significativa per gli acceleratori moderni per due ragioni, secondo Aleksandrov. È la densità massima consentita alla quale l'alone del fascio è gestibile, ed è il livello di risoluzione, o gamma dinamica, necessario per convalidare e costruire simulazioni di modellazione al computer più accurate dell'effetto alone del fascio.

"Nel passato, la modellazione del raggio a questo livello era un compito impossibile perché i computer non erano in grado di calcolare miliardi di particelle; e ora possono, ma non può essere fatto con precisione senza queste distribuzioni iniziali del raggio, "ha detto Kiersten Ruisard, un ricercatore post-dottorato Clifford G. Shull presso l'ORNL. "Non esiste un modello che conosciamo che predice i modelli di perdita del raggio misurati nell'acceleratore reale. Testare i nostri modelli con questo livello di precisione senza precedenti è necessario per costruire simulazioni più robuste che ci aiutino a mitigare queste perdite".

La misurazione del raggio a un'energia relativamente bassa di 2,5 megaelettronvolt ha fornito ai ricercatori informazioni su come modellare il raggio a energie più elevate. Aleksandrov ha detto che stanno già lavorando al prossimo miglioramento della tecnica, che comporterà l'uso di laser per misurare il raggio a un'energia significativamente maggiore di 1 gigaelettronvolt. Quell'aggiornamento è tra qualche anno.

I risultati della ricerca del team sono pubblicati sulla rivista scientifica Strumenti e metodi nucleari nella ricerca in fisica . Oltre ad Aleksandrov, Cousineau, e Ruisard, gli autori del documento includono Alexander Zhukov dell'ORNL.

"Anche se ora potremmo realizzare acceleratori di classe da 100 megawatt, non è solo pratico. Sarebbero troppo grandi e troppo costosi, " ha detto il fisico Sarah Cousineau, il capo della sezione scientifica e tecnologica della divisione Research Accelerator dell'ORNL. "Migliorare la risoluzione della misurazione a livelli più elevati non solo ci consente di fare progressi nella comprensione e nella simulazione dell'alone del fascio, ma migliora anche la nostra comprensione di come rendere gli acceleratori più potenti, a scale più piccole, e a costi molto più ragionevoli."