Физики из Германии и Швейцарии обнаружили фиксированные линии в протонном суперсинхротроне, индуцированные нелинейными резонансами. Для этого они возбуждали поперечные колебания пучка при помощи мощных магнитов и измеряли положение частиц в пучке синхротрона в различных точках вдоль ускорителя. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
Описание поведения систем с линейными возвращающими силами и нелинейными возмущениями — одна из важных задач в физике. Когда собственная частота системы совпадает с частотой воздействующей силы, возникает явление резонанса. В ускорительной физике важно понимание условий резонанса и нелинейной динамики системы, чтобы не допускать потерь частиц из пучка. О том, с какими еще проблемами ученые сталкиваются при проектировании ускорителей, читайте в нашем материале «Стойкий оловянный магнит».
Физики Ханнес Бартосик (H. Bartosik), Джулиано Франкетти (G. Franchetti) и Франк Шмидт (F. Schmidt) из ЦЕРН и ряда других институтов использовали набор кикер-магнитов и вызывали поперечные колебания протонного пучка в протонном суперсинхротроне, расположенном в ЦЕРН. Ученые изучали, как на колебания влияет резонанс третьего порядка, возбуждаемый несколькими мощными секступолями. Для этого они измеряли положение пучка при каждом обороте в различных точках вдоль ускорителя, используя мониторы слежения за положением пучка.
В результате ученые построили поверхность сечения Пуанкаре, которая содержит основные особенности динамики периодической системы. В случае резонанса любая частица, проходящая через сечение Пуанкаре, оказывается заключена на кривой в четырехмерном фазовом пространстве. Такую кривую ученые назвали фиксированной линией (fixed line). Измерения ученых совпали с компьютерным моделированием. По словам физиков, это позволит предсказать топологию и положение фиксированных линий для будущих ускорителей.
Авторы отмечают, что исследование поможет уменьшить потери частиц из пучков и как следствие повысить их интенсивность и яркость, при этом снизив издержки при проектировании будущих ускорительных комплексов. Возможно, это ускорит в будущем выход ускорителей на рекордные мощности.