Equipe faz a primeira medição do feixe acelerador de partículas em seis dimensões

Colisor de partículas atômicas (Julho 2019).

Anonim

A primeira medição de caracterização completa de um feixe de acelerador em seis dimensões permitirá avançar a compreensão e o desempenho dos aceleradores atuais e planejados em todo o mundo.

Uma equipe de pesquisadores liderada pela Universidade do Tennessee, em Knoxville, conduziu a medição em uma instalação de teste de feixe no Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Departamento de Energia, usando uma réplica do acelerador linear da Spallation Neutron Source, ou linac. Os detalhes são publicados na revista Physical Review Letters.

"Nosso objetivo é entender melhor a física do feixe para que possamos melhorar a forma como os aceleradores operam", disse Sarah Cousineau, líder do grupo na Divisão de Aceleração de Pesquisa da ORNL e professora do corpo docente da UT. "Parte disso está relacionado a ser capaz de caracterizar ou medir completamente um feixe no espaço 6D - e isso é algo que, até agora, nunca foi feito."

O espaço de seis dimensões é como o espaço 3-D, mas inclui três coordenadas adicionais nos eixos x, ye z para rastrear o movimento ou a velocidade.

"Logo vimos que o feixe tem essa estrutura complexa no espaço 6D que você não pode ver abaixo de 5D - camadas e camadas de complexidades que não podem ser desembaraçadas", disse Cousineau. "A medição também revelou que a estrutura do feixe está diretamente relacionada à intensidade do feixe, que fica mais complexa à medida que a intensidade aumenta."

Tentativas anteriores de caracterizar completamente um feixe de acelerador foram vítimas da "maldição da dimensionalidade", na qual as medidas em baixas dimensões tornam-se exponencialmente mais difíceis em dimensões mais altas. Os cientistas tentaram contornar o problema adicionando três medidas 2-D juntas para criar uma representação quase-6D. A equipe da UT-ORNL observa que a abordagem é incompleta como uma medida das condições iniciais do feixe que entram no acelerador, que determinam o comportamento do feixe mais abaixo no linac.

Como parte dos esforços para aumentar a potência do SNS, os físicos do ORNL usaram a instalação de teste de feixe para comissionar o novo quadrupolo de radiofreqüência, o primeiro elemento de aceleração localizado no conjunto front-end do linac. Com a infraestrutura já em funcionamento, uma bolsa de pesquisa da National Science Foundation para a Universidade do Tennessee permitiu equipar a instalação de teste de feixe com a capacidade de medição de última geração em 6D. A realização de medições 6D em um acelerador foi limitada pela necessidade de vários dias de tempo de feixe, o que pode ser um desafio para os aceleradores de produção.

"Como temos uma réplica do conjunto front-end do linac na instalação de teste de feixes, não precisamos nos preocupar em interromper os ciclos de experiência dos usuários no SNS. Isso nos fornece acesso irrestrito para realizar essas medições demoradas, o que é algo que não teríamos em outras instalações ", disse o principal autor Brandon Cathey, um estudante de pós-graduação da UT.

"Este resultado mostra o valor de combinar a liberdade e a engenhosidade da pesquisa acadêmica financiada pela NSF com instalações disponíveis através do amplo complexo nacional de laboratórios", disse Vyacheslav Lukin, diretor do programa da NSF que supervisiona a concessão à Universidade do Tennessee. "Não há melhor maneira de introduzir um novo cientista - um estudante de pós-graduação - no empreendimento científico moderno do que permitir que eles liderem um projeto de pesquisa de primeira linha em uma instalação que possa, de maneira única, dissecar as partículas que sustentam o que nós conhecer e entender sobre matéria e energia ".

O objetivo final dos pesquisadores é modelar todo o feixe, incluindo mitigar o chamado halo de feixe, ou perda de feixe - quando as partículas viajam para os extremos externos do feixe e se perdem. O desafio mais imediato, dizem eles, será encontrar ferramentas de software capazes de analisar os cerca de 5 milhões de pontos de dados gerados pela medição 6D durante o período de 35 horas.

"Quando propusemos fazer uma medição 6D há 15 anos, os problemas associados à maldição da dimensionalidade pareciam intransponíveis", disse o físico e co-autor do ORNL Alexander Aleksandrov. "Agora que conseguimos, temos certeza de que podemos melhorar o sistema para fazer medições mais rápidas e de maior resolução, adicionando uma técnica quase onipresente ao arsenal de físicos aceleradores em todos os lugares."

O papel PRL é intitulado "Medição do espaço da primeira fase de seis dimensões de um feixe de acelerador". Os co-autores do artigo também incluem Alexander Zhukov do ORNL.

"Esta pesquisa é vital para nossa compreensão se formos construir aceleradores capazes de atingir centenas de megawatts", disse Cousineau. "Nós estaremos estudando isso pela próxima década, e o SNS está melhor posicionado para fazer isso do que qualquer outra instalação no mundo."

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