Ein Gespenst spukt in den Tunneln eines Teilchenbeschleunigers am CERN.
Im Super-Protonen-Synchrotron haben Physiker endlich eine unsichtbare Struktur vermessen und quantifiziert, die den Kurs der darin enthaltenen Teilchen umlenken und Probleme für die Teilchenforschung schaffen kann.
Es wird als im Phasenraum stattfindend beschrieben, der einen oder mehrere Zustände eines sich bewegenden Systems darstellen kann. Da zur Darstellung der Struktur vier Zustände erforderlich sind, betrachten die Forscher sie als vierdimensional.
Diese Struktur ist das Ergebnis eines Phänomens, das als Resonanz bekannt ist. Wenn wir sie quantifizieren und messen können, kommen wir der Lösung eines universellen Problems für Magnetteilchenbeschleuniger einen Schritt näher.
„Bei diesen Resonanzen kommt es dazu, dass Teilchen nicht genau dem Weg folgen, den wir wollen, und dann wegfliegen und verloren gehen“, sagt der Physiker Giuliano Franchetti von GSI in Deutschland. „Dies führt zu einer Strahlverschlechterung und erschwert das Erreichen der erforderlichen Strahlparameter.“
Resonanz entsteht, wenn zwei Systeme interagieren und sich synchronisieren. Es könnte sich um eine Resonanz handeln, die zwischen Planetenbahnen entsteht, wenn sie auf ihrer Reise um einen Stern gravitativ interagieren, oder um eine Stimmgabel, die mitfühlend zu klingen beginnt, wenn Schallwellen einer anderen Stimmgabel auf ihre Zinken treffen.
Teilchenbeschleuniger verwenden leistungsstarke Magnete, die elektromagnetische Felder erzeugen, um Teilchenstrahlen dorthin zu lenken und zu beschleunigen, wo die Physiker sie haben wollen. Aufgrund von Unvollkommenheiten in den Magneten können im Beschleuniger Resonanzen auftreten, wodurch eine magnetische Struktur entsteht, die auf problematische Weise mit Partikeln interagiert.
Je mehr Freiheitsgrade ein dynamisches System aufweist, desto komplexer ist seine mathematische Beschreibung. Teilchen, die sich durch einen Teilchenbeschleuniger bewegen, werden normalerweise mit nur zwei Freiheitsgraden beschrieben, die die beiden Koordinaten widerspiegeln, die zum Definieren eines Punktes auf einem flachen Gitter erforderlich sind.
Um die darin enthaltenen Strukturen zu beschreiben, ist es erforderlich, sie mithilfe zusätzlicher Merkmale im Phasenraum abzubilden, die über die reinen Auf-Ab- und Links-Rechts-Dimensionen hinausgehen. Das heißt, es werden vier Parameter benötigt, um jeden Punkt im Raum abzubilden.
Die Forscher sagen, dass dies etwas ist, das sich sehr leicht „unserer geometrischen Intuition entziehen“ könnte.
„In der Beschleunigerphysik wird oft nur in einer Ebene gedacht“, sagt Franchetti. Um eine Resonanz abzubilden, muss der Teilchenstrahl jedoch sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Ebene gemessen werden.
Es klingt ziemlich einfach, aber wenn Sie es gewohnt sind, über etwas auf eine bestimmte Art und Weise nachzudenken, kann es anstrengend sein, über den Tellerrand hinaus zu denken. Es dauerte einige Jahre und einige umfangreiche Computersimulationen, die Auswirkungen der Resonanz auf einen Teilchenstrahl zu verstehen.
Diese Informationen ebneten Franchetti jedoch den Weg, zusammen mit den Physikern Hannes Bartosik und Frank Schmidt vom CERN endlich die magnetische Anomalie zu messen.
Mithilfe von Strahlpositionsmonitoren entlang des Super-Protonen-Synchrotrons maßen sie die Position der Teilchen für etwa 3.000 Strahlen. Durch sorgfältiges Messen, wo die Teilchen zentriert oder zur Seite geneigt waren, konnten sie eine Karte der Resonanz erstellen, die den Beschleuniger heimgesucht hat.
„Das Besondere an unserer jüngsten Entdeckung ist, dass sie zeigt, wie sich einzelne Teilchen in einer gekoppelten Resonanz verhalten“, sagt Bartosik. „Wir können zeigen, dass die experimentellen Ergebnisse mit den auf Theorie und Simulation basierenden Vorhersagen übereinstimmen.“
Der nächste Schritt besteht darin, eine Theorie zu entwickeln, die beschreibt, wie sich einzelne Teilchen in Gegenwart einer Beschleunigerresonanz verhalten. Dies, so sagen die Forscher, wird ihnen letztendlich eine neue Möglichkeit eröffnen, die Strahlverschlechterung zu mildern und die hochgenauen Strahlen zu erreichen, die für laufende und zukünftige Teilchenbeschleunigungsexperimente erforderlich sind.
Die Forschung des Teams wurde in veröffentlicht Naturphysik.