Descubren estructura invisible que desvía partículas en un acelerador de partículas

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Descubren estructura invisible que desvía partículas en un acelerador de partículas

La estructura de resonancia 4D que los investigadores midieron en el Super Sincrotrón de Protones. / H. Bartosik, G. Franchetti y F. Schmidt, Nature Physics, 2024

Físicos del Super Proton Synchrotron lograron medir y cuantificar una estructura invisible que ha estado desviando el curso de las partículas dentro del acelerador. Este avance, publicado recientemente en Nature Physics, promete abrir nuevas vías para entender y manipular la dinámica de partículas en aceleradores magnéticos.

La estructura, que opera en el denominado «espacio de fases», requiere de cuatro dimensiones para su representación, dado que representa estados múltiples de un sistema en movimiento. Esto la convierte en una entidad cuatridimensional, complicando su estudio y comprensión. 

La presencia de esta estructura es el resultado directo de un fenómeno conocido como resonancia, el cual, hasta ahora, ha sido un desafío universal en el diseño y operación de aceleradores de partículas magnéticos.

Giuliano Franchetti, físico del GSI en Alemania y miembro del equipo de investigación, explicó el problema central: «Con estas resonancias, las partículas no siguen exactamente la trayectoria que deseamos. Se desvían, se pierden y esto causa la degradación del haz, dificultando alcanzar los parámetros de haz requeridos». 

 

Resonancias 

La resonancia, un fenómeno que ocurre cuando dos sistemas interactúan y se sincronizan, puede surgir de múltiples formas, desde la interacción gravitacional entre planetas hasta la vibración simpática de diapasones. 

En los aceleradores de partículas, las resonancias pueden ser provocadas por imperfecciones en los imanes que generan campos electromagnéticos para guiar y acelerar las partículas, creando estructuras magnéticas que interfieren de manera problemática.

Describir matemáticamente sistemas con múltiples grados de libertad presenta una complejidad significativa. Tradicionalmente, las partículas en un acelerador se describen usando solo dos grados de libertad, pero la presencia de estructuras requiere de un mapeo en el espacio de fases que va más allá de las simples dimensiones bidimensionales.

«Incluso podría eludir nuestra intuición geométrica», señalan los investigadores, destacando la dificultad de mapear resonancias que requieren mediciones tanto en planos horizontales como verticales. La solución a este enigma ha requerido años de estudio y simulaciones computacionales extensas.

 

El trabajo 

Gracias a la utilización de monitores de posición de haz a lo largo del Super Proton Synchrotron, el equipo logró medir la posición de las partículas en aproximadamente 3,000 haces. Este meticuloso trabajo permitió generar un mapa de la resonancia que afecta al acelerador, marcando un antes y un después en la física de aceleradores.

Hannes Bartosik, otro miembro del equipo, destacó: «Lo que hace especial a nuestro descubrimiento es que muestra cómo se comportan las partículas individuales en una resonancia acoplada. Podemos demostrar que los hallazgos experimentales concuerdan con lo que había sido predicho basándose en teoría y simulación».

El siguiente paso para el equipo es desarrollar una teoría que describa el comportamiento de las partículas individuales en presencia de una resonancia de acelerador. Esto proporcionará una nueva herramienta para mitigar la degradación del haz y lograr los haces de alta fidelidad necesarios para los experimentos de aceleración de partículas actuales y futuros.  

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