Por primera vez, científicos del CERN, en colaboración con científicos del GSI, han podido medir una estructura de resonancia acoplada que puede causar la pérdida de partículas en los aceleradores

En el Super Proton Synchrotron, los físicos han medido y cuantificado por fin una estructura invisible que puede desviar el curso de las partículas que se encuentran en él y crear problemas para la investigación de partículas.

Se describe como algo que tiene lugar en el espacio de fase, que puede representar uno o varios estados de un sistema en movimiento. Como se necesitan cuatro estados para representar la estructura, los investigadores la consideran cuatridimensional.

Esta estructura es el resultado de un fenómeno conocido como resonancia, y poder cuantificarlo y medirlo nos acerca un paso más a la solución de un problema universal para los aceleradores de partículas magnéticas.

Super Proton Synchrotron en el CERN. Crédito de imagen: CERN

Giuliano Franchetti, físico del GSI en Alemania, dijo en un comunicado:

“Con estas resonancias, lo que ocurre es que las partículas no siguen exactamente la trayectoria que queremos y salen volando y se pierden. Esto provoca la degradación del haz y dificulta alcanzar los parámetros requeridos”.

La resonancia se produce cuando dos sistemas interactúan y se sincronizan. Podría ser una resonancia que surge entre órbitas planetarias cuando interactúan gravitatoriamente en su viaje alrededor de una estrella, o un diapasón que empieza a sonar simpáticamente cuando las ondas sonoras de otro diapasón golpean sus púas.

Los aceleradores de partículas utilizan potentes imanes que generan campos electromagnéticos para guiar y acelerar haces de partículas hacia donde los físicos quieren que vayan. Pueden producirseresonancias en el acelerador debido a imperfecciones en los imanes, creando una estructura magnética que interactúa con las partículas de forma problemática.

Cuantos más grados de libertad presenta un sistema dinámico, más complejo resulta describirlo matemáticamente. Las partículas que se desplazan por un acelerador de partículas suelen describirse utilizando sólo dos grados de libertad, que reflejan las dos coordenadas necesarias para definir un punto en una cuadrícula plana.

Para describir las estructuras en su interior, es necesario mapearlas utilizando características adicionales en el espacio de fase más allá de las dimensiones arriba-abajo, izquierda-derecha; es decir, se necesitan cuatro parámetros para mapear cada punto en el espacio. Según los investigadores, esto es algo que podría “eludir fácilmente nuestra intuición geométrica”.

Franchetti explica:

“En la física de los aceleradores, a menudo se piensa en un solo plano”.

Sin embargo, para cartografiar una resonancia, el haz de partículas debe medirse tanto en el plano horizontal como en el vertical.

La estructura de resonancia 4D que los investigadores midieron en el Super Proton Synchrotron. Crédito de imagen: H. Bartosik, G. Franchetti and F. Schmidt, Nature Physics, 2024

Parece bastante sencillo, pero si uno está acostumbrado a pensar en algo de una manera específica, puede que le cueste un esfuerzo salirse de lo convencional. Comprender los efectos de la resonancia en un haz de partículas llevó bastantes años y algunas simulaciones informáticas.

Sin embargo, esa información abrió el camino para que Franchetti, junto con los físicos Hannes Bartosik y Frank Schmidt del CERN, midieran finalmente la anomalía magnética.

Utilizando monitores de posición de haces a lo largo del Super Proton Synchrotron, midieron la posición de las partículas de aproximadamente 3.000 haces. Midiendo cuidadosamente dónde se centraban las partículas o dónde se desviaban hacia un lado, pudieron generar un mapa de la resonancia que acechaba al acelerador.

Bartosik afirma:

“Lo que hace que nuestro reciente hallazgo sea tan especial es que muestra cómo se comportan las partículas individuales en una resonancia acoplada.

Podemos demostrar que los hallazgos experimentales concuerdan con lo que se había predicho basándose en la teoría y la simulación”.

El siguiente paso es desarrollar una teoría que describa cómo se comportan las partículas individuales en presencia de la resonancia de un acelerador. Según los investigadores, esto les proporcionará en última instancia una nueva forma de mitigar la degradación de los haces y conseguir los haces de alta fidelidad necesarios para los experimentos de aceleración de partículas actuales y futuros.

Los hallazgos de la investigación han sido publicados en la revista Nature Physics.

[T: scialert / CERN]

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