Per la prima volta gli scienziati del Super Proton Sincrotrone (SPS), in collaborazione con gli scienziati del GSI di Darmstadt, sono riusciti a dimostrare sperimentalmente l'esistenza di una particolare struttura di risonanza. Sebbene fosse stata precedentemente teorizzata ed apparsa nelle simulazioni, questa struttura è molto difficile da studiare sperimentalmente poiché influenza le particelle in uno spazio quadridimensionale.

Questi ultimi risultati, pubblicati su Nature Physics , contribuirà a migliorare la qualità del fascio per i fasci a bassa energia e ad alta luminosità per gli iniettori LHC del CERN e per la struttura SIS18/SIS100 del GSI, nonché per i fasci ad alta energia con grande luminosità, come l'LHC e i futuri collisori ad alta energia.

"Con queste risonanze, quello che succede è che le particelle non seguono esattamente il percorso che vogliamo e poi volano via e si perdono", dice Giuliano Franchetti, scienziato del GSI e uno degli autori dell'articolo. "Ciò provoca il degrado del raggio e rende difficile raggiungere i parametri del raggio richiesti."

L’idea di cercare la causa di ciò è emersa nel 2002, quando gli scienziati del GSI e del CERN si sono resi conto che le perdite di particelle aumentavano quando gli acceleratori spingevano per una maggiore intensità del fascio. "La collaborazione è nata dalla necessità di capire cosa limitava queste macchine in modo da poter fornire le prestazioni e l'intensità del raggio necessarie per il futuro", afferma Hannes Bartosik, uno scienziato del CERN e un altro degli autori dell'articolo.

Nel corso degli anni sono state sviluppate teorie e simulazioni per comprendere in che modo le risonanze influenzano il movimento delle particelle nei fasci ad alta intensità. "È stato necessario un enorme sforzo di simulazione da parte di grandi team di acceleratori per comprendere l'effetto delle risonanze sulla stabilità del fascio", afferma Frank Schmidt del CERN, anche lui uno degli autori dell'articolo. Le simulazioni hanno mostrato che le strutture di risonanza indotte dall'accoppiamento in due gradi di libertà sono una delle principali cause di degrado del fascio.

Ci è voluto molto tempo per ideare come cercare sperimentalmente queste strutture di risonanza. Questo perché sono quadridimensionali e richiedono che il raggio venga misurato sia sul piano orizzontale che su quello verticale per vedere se esistono. "Nella fisica degli acceleratori, il pensiero è spesso su un solo piano", aggiunge Franchetti.

Per misurare il modo in cui le risonanze influenzano il movimento delle particelle, gli scienziati hanno utilizzato monitor di posizione del raggio attorno all'SPS. Nel corso di circa 3.000 passaggi del raggio, i monitor hanno misurato se le particelle nel raggio erano centrate o più su un lato, sia sul piano orizzontale che su quello verticale. La struttura di risonanza trovata è mostrata nella figura seguente.

"Ciò che rende la nostra recente scoperta così speciale è che mostra come si comportano le singole particelle in una risonanza accoppiata", continua Bartosik. "Possiamo dimostrare che i risultati sperimentali concordano con quanto previsto sulla base della teoria e della simulazione."

Sebbene l'esistenza delle strutture di risonanza accoppiate sia stata osservata sperimentalmente, resta ancora molto da fare per ridurre il loro effetto dannoso. "Stiamo sviluppando una teoria per descrivere come le particelle si muovono in presenza di queste risonanze", continua Franchetti. "Con questo studio, insieme a tutti i precedenti, speriamo di ottenere indizi su come evitare o minimizzare gli effetti di queste risonanze per gli acceleratori attuali e futuri."

Ulteriori informazioni: H. Bartosik et al, Osservazione di linee fisse indotte da una risonanza non lineare nel Super Proton Sincrotrone del CERN, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02338-3

Fornito dal CERN