Ένα φάντασμα στοιχειώνει τις σήραγγες του επιταχυντή σωματιδίων στο CERN.
Στο Super Proton Synchrotron, οι φυσικοί μέτρησαν και ποσοτικοποίησαν τελικά μια αόρατη δομή που μπορεί να εκτρέψει την πορεία των σωματιδίων που βρίσκονται εκεί και να δημιουργήσει προβλήματα στην έρευνα σωματιδίων.
Περιγράφεται ότι συμβαίνει στο χώρο των φάσεων, ο οποίος μπορεί να αντιπροσωπεύει μία ή περισσότερες καταστάσεις ενός κινούμενου συστήματος. Δεδομένου ότι απαιτούνται τέσσερις καταστάσεις για την αναπαράσταση της δομής, οι ερευνητές τη θεωρούν τετραδιάστατη.
Αυτή η δομή είναι το αποτέλεσμα ενός φαινομένου που είναι γνωστό ως συντονισμός, και το να είμαστε σε θέση να το ποσοτικοποιήσουμε και να το μετρήσουμε μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά στην επίλυση ενός προβλήματος καθολικού για τους επιταχυντές μαγνητικών σωματιδίων.
“Με αυτούς τους συντονισμούς, αυτό που συμβαίνει είναι ότι τα σωματίδια δεν ακολουθούν ακριβώς τη διαδρομή που θέλουμε και στη συνέχεια πετάνε μακριά και χάνονται”, λέει ο φυσικός Giuliano Franchetti της GSI στη Γερμανία. “Αυτό προκαλεί υποβάθμιση της δέσμης και καθιστά δύσκολη την επίτευξη των απαιτούμενων παραμέτρων της”.
Ο συντονισμός εμφανίζεται όταν δύο συστήματα αλληλεπιδρούν και συγχρονίζονται. Θα μπορούσε να είναι ένας συντονισμός που αναδύεται μεταξύ πλανητικών τροχιών καθώς αλληλεπιδρούν βαρυτικά στο ταξίδι τους γύρω από ένα αστέρι. Οι επιταχυντές σωματιδίων χρησιμοποιούν ισχυρούς μαγνήτες που δημιουργούν ηλεκτρομαγνητικά πεδία για να καθοδηγήσουν και να επιταχύνουν δέσμες σωματιδίων εκεί όπου οι φυσικοί θέλουν να πάνε. Στον επιταχυντή μπορεί να εμφανιστούν συντονισμοί λόγω ατελειών στους μαγνήτες, δημιουργώντας μια μαγνητική δομή που αλληλεπιδρά με τα σωματίδια με προβληματικό τρόπο.
Όσο περισσότερους βαθμούς ελευθερίας παρουσιάζει ένα δυναμικό σύστημα, τόσο πιο πολύπλοκο είναι να περιγραφεί μαθηματικά. Τα σωματίδια που κινούνται μέσα σε έναν επιταχυντή σωματιδίων περιγράφονται συνήθως χρησιμοποιώντας μόνο δύο βαθμούς ελευθερίας, που αντικατοπτρίζουν τις δύο συντεταγμένες που απαιτούνται για τον ορισμό ενός σημείου σε ένα επίπεδο πλέγμα.
Η περιγραφή δομών σε αυτές απαιτεί την απεικόνισή τους με τη χρήση πρόσθετων χαρακτηριστικών στο χώρο φάσεων πέρα από τις διαστάσεις πάνω-κάτω, αριστερά-δεξιά- δηλαδή, απαιτούνται τέσσερις παράμετροι για την απεικόνιση κάθε σημείου στο χώρο.
Αυτό, λένε οι ερευνητές, είναι κάτι που θα μπορούσε πολύ εύκολα να “διαφύγει της γεωμετρικής μας διαίσθησης”.
“Στη φυσική των επιταχυντών, η σκέψη είναι συχνά σε ένα μόνο επίπεδο”, λέει ο Franchetti. Για να χαρτογραφηθεί ένας συντονισμός, ωστόσο, η δέσμη σωματιδίων πρέπει να μετρηθεί τόσο στο οριζόντιο όσο και στο κάθετο επίπεδο.
Ακούγεται αρκετά απλό, αλλά αν έχετε συνηθίσει να σκέφτεστε για κάτι με έναν συγκεκριμένο τρόπο, μπορεί να χρειαστεί μια προσπάθεια να σκεφτείτε έξω από το κουτί. Η κατανόηση των επιδράσεων του συντονισμού σε μια δέσμη σωματιδίων χρειάστηκε αρκετά χρόνια, και μερικές ισχυρές προσομοιώσεις σε υπολογιστές.
Ωστόσο, αυτές οι πληροφορίες άνοιξαν τον δρόμο για τον Franchetti, μαζί με τους φυσικούς Hannes Bartosik και Frank Schmidt του CERN, να μετρήσουν τελικά τη μαγνητική ανωμαλία.
Χρησιμοποιώντας όργανα παρακολούθησης της θέσης των ακτίνων κατά μήκος του Super Proton Synchrotron, μέτρησαν τη θέση των σωματιδίων για περίπου 3.000 ακτίνες. Μετρώντας προσεκτικά πού ήταν τα σωματίδια κεντραρισμένα ή λοξά προς τη μία πλευρά, μπόρεσαν να δημιουργήσουν έναν χάρτη του συντονισμού που στοιχειώνει τον επιταχυντή.
“Αυτό που κάνει το πρόσφατο εύρημά μας τόσο ξεχωριστό είναι ότι δείχνει πώς συμπεριφέρονται τα μεμονωμένα σωματίδια σε έναν συζευγμένο συντονισμό”, λέει ο Bartosik. “Μπορούμε να αποδείξουμε ότι τα πειραματικά ευρήματα συμφωνούν με όσα είχαν προβλεφθεί με βάση τη θεωρία και την προσομοίωση”.
Το επόμενο βήμα είναι να αναπτυχθεί μια θεωρία που να περιγράφει πώς συμπεριφέρονται τα μεμονωμένα σωματίδια παρουσία ενός συντονισμένου επιταχυντή. Αυτό, λένε οι ερευνητές, θα τους δώσει τελικά έναν νέο τρόπο να μετριάσουν την υποβάθμιση της δέσμης και να επιτύχουν τις υψηλής πιστότητας δέσμες που απαιτούνται για τα τρέχοντα και μελλοντικά πειράματα επιτάχυνσης σωματιδίων.