Το Super Proton Synchrotron (SPS) του CERN, ο δεύτερος μεγαλύτερος επιταχυντής του ευρωπαϊκού κέντρου πυρηνικών ερευνών της Γενεύης, που πρόκειται να γιορτάσει την 50ή επέτειό του το 2026, φιλοξενεί ένα "φάντασμα". Μέσω μαθηματικής μοντελοποίησης, οι φυσικοί μέτρησαν και χαρτογράφησαν πώς τέμνονται αυτές οι γραμμές συντονισμού μέσω ενός συστήματος εξισώσεων 4D.
"Κάτι" επηρεάζει τη συμπεριφορά των σωματιδίων
Η αποκάλυψη αυτή προκύπτει από έρευνα που δημοσιεύθηκε στο Nature Physics, με τη συμμετοχή επιστημόνων από το CERN στην Ελβετία και το Πανεπιστήμιο Γκαίτε στη Φρανκφούρτη της Γερμανίας. Εντόπισαν ένα συντονιστικό "φάντασμα" που επηρεάζει τη συμπεριφορά των σωματιδίων μέσα στο SPS.
Αυτό το "φάντασμα", που χαρακτηρίζεται από μια μεταβαλλόμενη τρισδιάστατη μορφή με την πάροδο του χρόνου, μετριέται καλύτερα σε 4D. Το SPS, με περίμετρο σχεδόν 6,5 χιλιομέτρων, που χρονολογείται από τη δεκαετία του 1970, παραμένει ένα ζωτικής σημασίας περιουσιακό στοιχείο του CERN.
Οι αιτίες για το "στοιχειό"
Το "φάντασμα" προκύπτει από τον συντονισμό: όταν τα πράγματα μεταφέρουν ενέργεια και παράγουν κύματα, μπορούν να αλληλεπιδράσουν, δημιουργώντας ιδιόμορφα σημεία ενίσχυσης της ενέργειας. Ακριβώς όπως κάθε βήμα κατά τη μεταφορά καφέ δημιουργεί κύματα στο υγρό, που τελικά ξεχειλίζει, ή όπως το πώς ένα άτομο που πηδάει σε ένα τραμπολίνο επηρεάζει το άλμα ενός άλλου, ενισχύοντάς το.
"Στη φυσική των επιταχυντών, η κατανόηση των αντηχήσεων και της μη γραμμικής δυναμικής είναι ζωτικής σημασίας για την πρόληψη της απώλειας δέσμης", εξηγούν οι επιστήμονες στη μελέτη. Κάθε κινούμενο μέρος, συμπεριλαμβανομένων των συνδέσμων, δημιουργεί δονήσεις. Η υποβάθμιση της δέσμης αποτελεί σημαντικό ζήτημα, ειδικά καθώς οι δέσμες πρωτονίων γίνονται όλο και πιο ενεργές και ανθεκτικές.
Οι αρμονικές σε πολύπλοκα συστήματα επηρεάζουν κάθε πείραμα, στο οποίο τα σωματίδια αλληλεπιδρούν μέσα σε ένα δοχείο, όπως η έρευνα για την πυρηνική σύντηξη. Οι αρμονικές παρεμβολές αποτελούν επομένως πρόκληση για την επίτευξη παραγωγικής πυρηνικής σύντηξης, δημιουργώντας νεκρά σημεία, στα οποία μπορεί να διαχυθεί ζωτικής σημασίας θερμική ενέργεια.
Πώς λειτουργεί το SPS στο CERN
Μέσα στο SPS, τα σωματίδια διαθέτουν μόνο δύο βαθμούς ελευθερίας: παρόμοια με τα φωτόνια μέσα σε μια οπτική ίνα, αυτά τα φωτόνια του SPS διανύουν μια συνολική διαδρομή αλλά μπορούν επίσης να "αναπηδήσουν" μέσα σε αυτήν λόγω του πάχους της δέσμης ή του καλωδίου. Το SPS δεν είναι παχύ, αλλά παρ' όλα αυτά είναι ένας απτός δακτύλιος.
Αυτή η αναπήδηση παραμορφώνεται λόγω ανθρώπινων παραγόντων και της πραγματικότητας. Οι ηλεκτρομαγνήτες που τροφοδοτούν αυτές τις δομές είναι ατελείς και ακόμη και μικρές διακυμάνσεις του μαγνητισμού μπορούν να προκαλέσουν συντονισμό. Για να το ποσοτικοποιήσουν αυτό, οι ερευνητές έκαναν μετρήσεις γύρω από τον δακτύλιο SPS και χρησιμοποίησαν τα δεδομένα για να κατασκευάσουν ένα μαθηματικό μοντέλο που ονομάζεται "τομή Poincaré".
Κατανόηση της τομής Poincaré
Σε μια τομή Poincaré, ένα στοιχείο σταθεροποιείται και προχωρά κανείς μέσα σε ένα σύστημα, χαρτογραφώντας όλες τις διασταυρώσεις με άλλα στοιχεία για να σχηματίσει ένα σύνολο. Τα αποτελέσματα μοιάζουν με έναν μαγνητικό συντονισμό, αλλά για ένα δυναμικό σύστημα, του οποίου το σχήμα μπορεί να αλλάξει με κάθε βήμα -και στην περίπτωση αυτήν, με τον χρόνο να προστίθεται ως τέταρτη διάσταση.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι σταθερές γραμμές μπορούσαν να προβλέψουν πού θα συγκεντρωθούν τα σωματίδια. Αφιερώνοντας χρόνο στη μελέτη και μοντελοποίηση του φαινομένου, ελπίζουν να βοηθήσουν τους ερευνητές στην ανάπτυξη στρατηγικών για τον μετριασμό της επίδρασης αυτών των σταθερών αρμονικών γραμμών. Η εργασία αυτή θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει όσους κατασκευάζουν νέους επιταχυντές σωματιδίων να αποφύγουν τη δημιουργία μαγνητικών "φαντασμάτων", εξοικονομώντας σημαντικό κόστος, διατηρώντας παράλληλα τις ακτίνες και τα δεδομένα πιο ανέπαφα, εξασφαλίζοντας σταθερά υψηλής ποιότητας αποτελέσματα.
Ακολούθησε το Esquire στο Facebook, το Twitter και το Instagram.