In un acceleratore di particelle, grappoli di particelle elementari ruotano attorno a un'orbita accuratamente progettata. Poiché hanno una carica elettrica, interagiscono tra loro e con l'ambiente circostante, portando a piccole oscillazioni attorno alla traiettoria di riferimento (molto simile a un pendolo). Se l'interazione è troppo forte l'ampiezza di queste oscillazioni cresce nel tempo, allontanando la particella dall'orbita. I ricercatori caratterizzano questo movimento in termini di frequenza, o sintonizzare, e il suo tasso di crescita. Lo smorzamento di Landau aiuta a rendere stabile la regione di movimento delle particelle che altrimenti sarebbe instabile. Nel loro esperimento, i ricercatori hanno utilizzato il feedback per raggiungere il limite di questa regione stabile. Credito:Antipov et al.
smorzamento Landau, un fenomeno originariamente previsto da Lev Landau nel 1946, è essenziale per garantire la stabilità del fascio collettivo negli acceleratori di particelle. Misurando con precisione la forza dello smorzamento Landau, i fisici possono prevedere la stabilità dei fasci nei collisori ad alta energia.
I ricercatori dell'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) hanno recentemente introdotto una procedura per misurare la forza dello smorzamento di Landau e i limiti della stabilità del raggio per i collisori ad alta energia. Questa procedura, delineato in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , si basa sull'uso di una retroazione trasversale attiva come sorgente controllabile dell'impedenza di accoppiamento del fascio.
"Lo smorzamento di Landau è un fenomeno affascinante che si verifica nei plasmi, "Sergio Antipov, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "È una soppressione delle perturbazioni esterne del sistema dinamico attraverso il comportamento incoerente collettivo dei suoi elementi individuali. I diversi membri reagiscono all'eccitazione in modo leggermente diverso, interagiscono e condividono energia tra loro e di conseguenza l'eccitazione viene smorzata, creando una sorta di ordine dal caos."
Landaus ha predetto per la prima volta lo smorzamento mentre stava analizzando l'equazione di Vlasov, che è essenzialmente il "modello standard" della fisica del plasma. In un articolo pubblicato nel 1946, Landau ha mostrato che le onde elettromagnetiche che si propagano attraverso il plasma dovrebbero decadere anche se il plasma stesso non ha attrito (cioè, nessuna energia di dissipazione).
"Allora, questa conclusione non intuitiva è stata molto dibattuta, fino a quando non fu finalmente osservato 20 anni dopo che era stato ipotizzato, Antipov ha detto. "Solo nel 2009, i matematici Mouhot e Villani finalmente risolsero l'equazione in modo rigoroso, mettendo una solida base matematica sotto l'esistenza dello smorzamento di Landau, per il quale hanno vinto il premio Fields."
Il movimento delle particelle all'interno degli acceleratori di particelle, come il Large Hadron Collider (LHC), segue anche le regole delineate dall'equazione di Vlasov. Di conseguenza, Lo smorzamento di Landau esiste anche nei fasci di particelle all'interno di questi acceleratori.
I fisici si affidano allo smorzamento di Landau per sopprimere i movimenti indesiderati che possono derivare dall'interazione di un fascio di particelle con l'ambiente circostante attraverso campi di scia elettromagnetici indotti. Finora, i ricercatori sono stati in grado di stimare solo la forza dello smorzamento di Landau in un fascio di particelle utilizzando una serie di modelli semplici, poiché non c'era modo di misurarne direttamente la forza.
"Un giorno, i miei colleghi ed io eravamo seduti a tavola dopo un seminario di fisica nell'Evian francese, ai tempi in cui c'erano ancora laboratori dal vivo, " Spiegò Antipov. "Dopo un paio di drink e del buon cibo, la conversazione si è spostata dalle questioni operative, il tema del workshop, a cose più divertenti che potremmo fare con il collisore LHC. È stato allora che ho proposto di provare a misurare lo smorzamento di Landau. Si è scoperto che il sistema di feedback LHC potrebbe essere in grado di farlo, e la persona che ne è responsabile, Daniele, era seduto proprio di fronte a me."
L'idea generale alla base della procedura ideata da Antipov e dai suoi colleghi era quella di utilizzare un sistema di feedback trasversale per emulare la forza collettiva che agisce su un fascio di particelle. Tipicamente, questo feedback misura l'orbita del raggio. Se l'orbita si discosta dal disegno desiderato, il raggio può quindi essere 'spostato' nella giusta direzione.
"Abbiamo impostato il sistema di feedback trasversale in modo che il suo guadagno e il suo ritardo di fase variassero con l'ampiezza del movimento del raggio, allo stesso modo in cui farebbe la forza di auto-veglia del raggio, " Ha detto Antipov. "Questo assetto ci ha permesso di guidare un'instabilità collettiva nella trave, ma allo stesso tempo, tenerlo sotto controllo. "Quindi, abbiamo semplicemente variato la forza destabilizzante fino a quando non abbiamo visto Landau smorzarla superarla e stabilizzare il raggio, ecco quando i due effetti, l'instabilità e lo smorzamento, sono uguali, ed è così che conosci la forza dello smorzamento di Landau nella trave."
Antipov e i suoi colleghi hanno valutato la procedura che hanno sviluppato in un test di prova del principio eseguito presso l'LHC. I loro risultati evidenziano il potenziale del loro metodo, suggerendo che potrebbe essere utilizzato per prevedere con precisione la stabilità del raggio in collisori ad alta energia all'avanguardia.
"LHC è una macchina unica per effettuare studi in termini di capacità, ma ha un costo, " disse Antipov. "Poiché la macchina è così costosa e sensibile, tutto dovrebbe funzionare dal primo tentativo, senza tentativi ed errori, e il fallimento non è un'opzione. Abbiamo così riunito un piccolo gruppo di esperti e abbiamo iniziato a preparare il piano. Ci è voluto un po' di tempo per aggiornare il feedback, per studiare diversi scenari e trovare i parametri giusti in cui era più probabile effettuare una misurazione pulita. Quindi, un sabato sera, siamo appena andati alla sala di controllo, seduto lì tutta la notte e lo ha fatto."
Il test di prova del principio eseguito da questo team di ricercatori dimostra che è possibile misurare direttamente la forza dello smorzamento di Landau. Inoltre, Antipov ei suoi colleghi hanno identificato le condizioni necessarie per raccogliere tale misurazione.
Nel futuro, il loro lavoro potrebbe quindi servire come ricetta che altri team possono seguire per quantificare con precisione la forza dello smorzamento Landau. Nel frattempo, il team dell'Organizzazione europea per la ricerca nucleare prevede di testare la procedura su altre macchine e collisori al CERN in Svizzera e al GSI in Germania.
"L'applicazione più interessante per la nostra procedura sembra essere su acceleratori ad alta intensità a bassa energia, dove le forti forze di Coulomb influenzano drasticamente il comportamento collettivo delle particelle in un raggio, " Ha detto Antipov. "Ecco dove lo smorzamento Landau deve svolgere un ruolo cruciale nella stabilizzazione dei fasci di particelle, ma attualmente non esiste un modello teorico solido, quindi gli scienziati degli acceleratori devono fare affidamento su sofisticate simulazioni numeriche. Auspicabilmente, un metodo sperimentale aiuterà a far luce sul problema".
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