Υπάρχει ένα φάντασμα που στοιχειώνει τις σύθραγγες του επιταχυντή σωματιδίων στο CERN. Στο Super Proton Synchrotron, οι φυσικοί μέτρησαν και ποσοτικοποίησαν μια αόρατη δομή που μπορει να εκτρέπει την πορεία των σωματιδίων, δημιουργώντας προβλήματα στην έρευνα σωματιδίων.
Περιγράφεται πως λαμβάνει χώρα σε ένα χώρο φάσης, που αντιπροσωπεύει μία ή περισσότερες καταστάσεοις ενός κινούμενου συστήματος. Δεδομένου πως τέσσερις καταστάσεις απαιτούνται για την αναπαράσταση της δομής, οι επιστήμονες τη βλέπουν ως τετραδιάστατη.
Αυτή η δομή είναι το αποτέλεσμα ενός φαινομένουη που είναι γνωστό ως συντονισμός. Το να είμαστε σε θέση να το ποσοτικοποιήσουμε και να το μετρήσουμε, μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά στην επίλυση ενός προβλήματος που είναι καθολικό για τους επιταχυντές μαγνητικών σωματιδίων.
«Με αυτούς τους συντονισμούς, αυτό που συμβαίνει είναι ότι τα σωματίδια δεν ακολουθούν ακριβώς το μονοπάτι που θέλουμε και στη συνέχεια πετούν μακριά και χάνονται», λέει ο φυσικός Giuliano Franchetti του GSI στη Γερμανία. “Αυτό προκαλεί υποβάθμιση της δέσμης και καθιστά δύσκολη την επίτευξη των απαιτούμενων παραμέτρων δέσμης.”
Ο συντονισμός επιτυγχάνεται όταν δύο συστήματα αλληλεπιδρούν και συγχρονίζονται. Θα μπορούσε να είναι ένας συντονισμός ποηυ εμφανίζεται μεταξύ πλανητικών τροχιών, καθώς αλληλεπιδρούν βαρυτικά ταξιδεύοντας γύρω από το αστέρι.
Οι επιταχυντές σωματιδίων χρησιμοποιούν ισχυρούς μαγνήτες που δημιουργούν ηλεκτρομαγνητικά πεδία, ώστε να καθοδηγήσουν και να επιταχύνουν δέσμες σωματιδίων, στο σημείο που θέλουν να τις συγκεντρώσουν οι φυσικοί. Συντονισμοί μπορεί να εμφανιστούν στον επιταχυντή λόγω ατελειών στους μαγνήτες, δημιουργώντας μια μαγνητική δομή που αλληλεπιδρά με τα σωματίδια με προβληματικούς τρόπους.
Όσους περισσότερους βαθμούς ελευθερίας παρουσιάζει ένα δυναμικό σύστημα, τόσο πιο περίπλοκο ειναι να περιγραφεί μαθηματικά. Τα σωματίδια που κινοπυνται σε έναν επιταχυντή σωματιδίων περιγράφονται χρησιμοποιώντας δύο βαθμούς ελευθερίας, αντανακώντας τις δύο συντεταγμένες που απαιτούνται για τον καθορισμό ενός σημείο σε ένα επίπεδο πλέγμα.
Για να περιγραφούν όμως οι δομές σε αυτό, απαιτείται η χαρτογράφηση τους χρησιμοποιώντας τα προσθετα χαρακτηριστικά στο χώρο φάσης, πέρα από τις τυπικές διαστάσεις πάνω-κάτω αριστέρα και δεξιά. Αυτό σημαίνει πως χρειάζονται τέσσερις παράμετροι για να χαρτογραφηθεί κάθε σημείο του χώρου. Αυτό, σύμφωνα με τους φυσικούς, μπορεί πολύ εύκολα να ξεφύγει από την γεωμετρική μας διαίσθηση.
«Στη φυσική των επιταχυντών, η σκέψη είναι συχνά μόνο σε ένα επίπεδο», λέει ο Franchetti . Ωστόσο, για να χαρτογραφηθεί ένας συντονισμός, η δέσμη σωματιδίων πρέπει να μετρηθεί τόσο στο οριζόντιο όσο και στο κατακόρυφο επίπεδο.
Ακούγεται αρκετά απλό, αλλά αν έχετε συνηθίσει να σκέφτεστε κάτι με συγκεκριμένο τρόπο, ίσως χρειαστεί μια προσπάθεια να σκεφτείτε έξω από το κουτί. Η κατανόηση των επιπτώσεων του συντονισμού σε μια δέσμη σωματιδίων χρειάστηκε αρκετά χρόνια και μερικές βαριές προσομοιώσεις υπολογιστή.
Ωστόσο, αυτές οι πληροφορίες άνοιξαν τον δρόμο στον Franchetti, μαζί με τους φυσικούς Hannes Bartosik και Frank Schmidt του CERN, να μετρήσουν τελικά τη μαγνητική ανωμαλία.
Χρησιμοποιώντας τα παρατηρητήρια θέσεως δέσμης κατά μήκος του Super Proton Synchrotron, μέτρησαν την θέση των σωματιδίων για περίπου 3.000 δέσμες. Μετρούσαν πολύ προσεκτικά που ήταν κεντραρισμένα ή λοξές οι δέσμες σωματιδίων και κατάφεραν να δημιουργήσουν έναν χάρτη του συντονισμού που στοιχειώνει τον επιταχυντή.
Ο Μεγάλος Carl Sagan αφήνει κρυπτικό μήνυμα για τους πρώτους ανθρώπους στον Άρη
“Αυτό που κάνει το πρόσφατο εύρημα μας τόσο ξεχωριστό είναι ότι δείχνει πώς συμπεριφέρονται μεμονωμένα σωματίδια σε συζευγμένο συντονισμό”, λέει ο Bartosik . «Μπορούμε να δείξουμε 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 περιγράφει πώς συμπεριφέρονται μεμονωμένα σωματίδια παρουσία συντονισμού επιταχυντή. Αυτό, λένε οι ερευνητές, θα τους δώσει τελικά έναν νέο τρόπο για να μετριάσουν την υποβάθμιση της δέσμης και να επιτύχουν τις δέσμες υψηλής πιστότητας που απαιτούνται για τα τρέχοντα και μελλοντικά πειράματα επιτάχυνσης σωματιδίων.
Η έρευνα της ομάδας δημοσιεύτηκε στο Nature Physics.
