Nelle profondità della campagna svizzera, all’interno di un anello di macchinari largo quasi quattro miglia che funziona dagli anni ’70, i fisici hanno inseguito qualcosa che non potevano vedere, non potevano misurare e non potevano spiegare completamente. Si manifestava solo nei risultati: particelle che si allontanavano dal loro percorso, raggi che si degradavano inaspettatamente, esperimenti che non raggiungevano i loro obiettivi in modi previsti dalla teoria ma che nessuno poteva osservare direttamente. Per più di due decenni, i ricercatori del CERN e del GSI Helmholtz Heart for Heavy Ion Analysis di Darmstadt hanno sospettato che il colpevole fosse un particolare tipo di struttura di risonanza nascosta all’interno del Tremendous Proton Sincrotrone, una perturbazione non lineare accoppiata che opera nello spazio delle fasi quadridimensionale, invisibile ai metodi di misurazione commonplace e profondamente difficile da isolare. Nel marzo 2024, un staff di tre fisici ha finalmente fatto ciò che nessuno period riuscito prima: mapparlo. I risultati, pubblicati in Fisica della naturaha confermato decenni di teoria, ha dato alla struttura una forma misurabile e ha aperto la strada verso la risoluzione di uno dei problemi ingegneristici più persistenti nella fisica delle particelle advert alta energia. A seconda del punto di vista, è la superb di una caccia molto lunga o l’inizio di una linea di lavoro completamente nuova.
Cos’è in realtà il Tremendous Sincrotrone Protonico e perché il suo fantasma è importante per l’LHC
Il Tremendous Sincrotrone Protonico, noto come SPS, è un anello largo quasi quattro miglia che opera al CERN in Svizzera dagli anni ’70. Per quanto antico possa sembrare, la struttura rimane centrale per la fisica moderna. È il secondo acceleratore più grande del complesso del CERN e svolge un ruolo che lo rende indispensabile per l’intera operazione: funge da stadio di iniezione finale che alimenta i fasci di particelle direttamente nel Massive Hadron Collider. Qualunque cosa influenzi la qualità dei raggi all’interno dell’SPS influisce sulla qualità della fisica che può essere eseguita a valle. Secondo il funzionario Comunicato stampa del CERNi risultati contribuiranno a migliorare la qualità del fascio per i fasci a bassa energia e advert alta luminosità per gli iniettori LHC del CERN e la struttura SIS18/SIS100 del GSI, nonché per i fasci advert alta energia con grande luminosità, come l’LHC e i futuri collisori advert alta energia. Il fantasma nella macchina, in altre parole, non period semplicemente una curiosità; stava degradando i raggi da cui dipendono i fisici per studiare la struttura fondamentale della materia.
Cos’è la risonanza e perché diventa un problema all’interno di un acceleratore di particelle
La parola risonanza è abbastanza familiare dall’esperienza quotidiana, ma il suo comportamento all’interno di un acceleratore di particelle è decisamente meno tollerante. Quando torni alla scrivania con una tazza piena di caffè, ogni passo invia onde attraverso il liquido; quelle onde alla superb si incontrano e si riversano sul bordo. Su un trampolino, un saltatore può catturare l’energia residua del salto di un altro ed essere lanciato molto più in alto del previsto. All’interno dell’SPS, lo stesso principio opera sui fasci di particelle che viaggiano a una velocità prossima a quella della luce. I magneti che mantengono quei raggi sui loro percorsi circolari non sono perfettamente uniformi; piccole imperfezioni introducono perturbazioni periodiche e quando tali perturbazioni si sincronizzano con le frequenze di oscillazione naturale delle particelle, il risultato è la risonanza. “Con queste risonanze, quello che succede è che le particelle non seguono esattamente il percorso che vogliamo e poi volano by way of e si perdono”, ha detto il fisico Giuliano Franchetti del GSI in Germania. Advert intensità sufficiente, questa perdita di raggio non è solo un inconveniente, ma è un limite fondamentale a ciò che la macchina può fare.
Perché ci sono voluti due decenni per misurare una struttura di risonanza che la teoria aveva sempre previsto
L’concept di cercare la causa di ciò è emersa nel 2002, quando gli scienziati del GSI e del CERN si sono resi conto che le perdite di particelle aumentavano quando gli acceleratori spingevano per una maggiore intensità del fascio. “La collaborazione è nata dalla necessità di capire cosa limitava queste macchine in modo da poter fornire le prestazioni e l’intensità del raggio necessarie per il futuro”, ha affermato Hannes Bartosik, scienziato del CERN e uno degli autori dell’articolo. La sfida non period che le simulazioni teoriche avessero indicato per anni l’esistenza di questa particolare struttura di risonanza. La sfida period sperimentale. La risonanza opera in quello che i fisici chiamano spazio delle fasi quadridimensionali, il che significa che non può essere catturata misurando il movimento delle particelle su un unico piano. “Nella fisica degli acceleratori, il pensiero è spesso su un solo piano”, ha detto Franchetti. “È stato necessario un enorme sforzo di simulazione da parte di grandi staff di acceleratori per comprendere l’effetto delle risonanze sulla stabilità del fascio”, ha aggiunto Frank Schmidt, anche lui del CERN e coautore dell’articolo. L’ideazione di un metodo per cercare sperimentalmente la struttura, che misurasse simultaneamente il movimento orizzontale e verticale delle particelle attraverso migliaia di passaggi del raggio, ha richiesto anni di lavoro per essere sviluppata.
Come il staff ha finalmente mappato il fantasma 4D all’interno del Tremendous Sincrotrone Protonico
Per misurare il modo in cui le risonanze influenzano il movimento delle particelle, gli scienziati hanno utilizzato monitor di posizione del raggio attorno all’SPS. Nel corso di circa 3.000 passaggi del raggio, i monitor hanno misurato se le particelle nel raggio erano centrate o più su un lato, sia sul piano orizzontale che su quello verticale. I dati di quelle misurazioni sono stati utilizzati per costruire quella che i fisici chiamano superficie di sezione di Poincaré, uno strumento matematico che cattura le caratteristiche principali del movimento di una particella attraverso un sistema periodico. Qualsiasi particella risonante che passa attraverso questa superficie traccia una curva incorporata nello spazio quadridimensionale, producendo una mappa della risonanza che infesta l’acceleratore. La struttura emersa da quelle misurazioni corrispondeva a quanto previsto dalla teoria e dalla simulazione, una conferma che decenni di modellizzazione avevano sempre puntato nella giusta direzione. “Ciò che rende la nostra recente scoperta così speciale è che mostra come si comportano le singole particelle in una risonanza accoppiata”, ha detto Bartosik. “Possiamo dimostrare che i risultati sperimentali concordano con quanto previsto sulla base della teoria e della simulazione.”
Cosa significa la scoperta di questa struttura di risonanza accoppiata per il futuro della fisica delle particelle
Mappare il fantasma non equivale a rimuoverlo, e i ricercatori sono consapevoli che resta ancora molto da fare. “Stiamo sviluppando una teoria per descrivere come le particelle si muovono in presenza di queste risonanze”, ha detto Franchetti. “Con questo studio, insieme a tutti i precedenti, speriamo di ottenere indizi su come evitare o minimizzare gli effetti di queste risonanze per gli acceleratori attuali e futuri.” Le implicazioni pratiche vanno oltre lo stesso CERN. Gli strumenti matematici utilizzati per stabilizzare i fasci di protoni stanno ora aiutando gli ingegneri della fusione a progettare gabbie magnetiche che prevengono le interruzioni del plasma, un trasferimento diretto di conoscenze dalla fisica delle particelle a una delle sfide ingegneristiche più urgenti nella ricerca sull’energia pulita. Per il CERN, la priorità immediata è sviluppare strategie di mitigazione che riducano il degrado del fascio all’interno dell’SPS, migliorando la qualità dei fasci immessi nell’LHC e gettando le basi per la prossima generazione di collisori advert alta energia. Il fantasma, dopo vent’anni, ha una forma e un insieme di coordinate. Ciò che accadrà dopo è una questione di ingegneria.
