物理学家在欧洲核子研究中心粒子加速器中捕捉难以捉摸的4D“幽灵”

有一个幽灵困扰着欧洲核子研究中心粒子加速器的隧道。

在超级质子同步加速器，物理学家终于测量并量化了一种看不见的结构，这种结构可以改变其中粒子的轨迹，并为粒子研究带来问题。

它被描述为发生在相空间，它可以表示移动系统的一个或多个状态。由于需要四种状态来表示结构，因此研究人员将其视为四维状态。

这种结构是一种称为共鸣，并且能够量化和测量它使我们离解决磁粒子加速器普遍存在的问题更近了一步。

“通过这些共振，粒子不会完全遵循我们想要的路径，然后飞走并迷失方向。物理学家朱利亚诺·弗兰切蒂（Giuliano Franchetti）说之全球统一指数 （GSI）在德国。“这会导致光束退化，并且难以达到所需的光束参数。”

当两个系统相互作用并同步时，就会发生共振。这可能是之间出现的共鸣行星轨道当它们在围绕恒星或音叉开始的旅程中发生引力相互作用时同情地响铃当来自另一个音叉的声波击中它的尖齿时。

粒子加速器使用强力磁铁产生电磁场，将粒子束引导和加速到物理学家希望它们去的地方。共振由于磁铁的缺陷，加速器中可能发生，从而产生以有问题的方式与粒子相互作用的磁性结构。

动态系统表现出的自由度越多，用数学方法描述就越复杂。通过粒子加速器移动的粒子通常仅使用两个自由度来描述，反映了在平面网格上定义点所需的两个坐标。

要描述其中的结构，需要使用相空间中的其他特征来映射它们，而不仅仅是上下、左右维度;也就是说，需要四个参数来映射空间中的每个点。

这研究人员说，是很容易“逃避我们的几何直觉”的东西。

“在加速器物理学中，思维通常只在一个平面上，”弗兰切蒂 说.然而，为了映射共振，需要在水平和垂直平面上测量粒子束。

这听起来很简单，但如果你习惯于以特定的方式思考某事，那么可能需要努力跳出框框思考。了解共振对粒子束的影响花了相当长的时间，并进行了大量的计算机模拟。

然而，这些信息为弗兰切蒂以及欧洲核子研究中心的物理学家汉内斯·巴托西克和弗兰克·施密特最终测量磁异常开辟了道路。

他们使用超级质子同步加速器上的光束位置监视器测量了大约3,000个光束的粒子位置。通过仔细测量粒子的中心位置或向一侧倾斜的位置，他们能够生成困扰加速器的共振图。

“我们最近的发现之所以如此特别，是因为它显示了单个粒子在耦合共振中的行为。Bartosik 说.“我们可以证明实验结果与基于理论和模拟的预测一致。

下一步是开发一种理论，描述单个粒子在加速器共振存在下的行为。研究人员表示，这最终将为他们提供一种减轻光束退化的新方法，并实现正在进行和未来的粒子加速实验所需的高保真光束。

该团队的研究已发表在自然物理.

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