Acelerado, feixes de partículas carregadas fazem o que a luz faz pelos microscópios:iluminar a matéria. Quanto mais intensos os feixes, mais facilmente os cientistas podem examinar o objeto que estão olhando. Mas a intensidade tem um custo:quanto mais intensos os feixes, mais eles ficam sujeitos a instabilidades.

Um tipo de instabilidade ocorre quando a energia média das partículas aceleradas viajando através de uma máquina circular atinge seu valor de transição. O ponto de transição ocorre quando as partículas giram em torno do anel na mesma taxa, mesmo que eles não carreguem a mesma energia - na verdade, eles exibem uma gama de energias. O movimento específico das partículas perto da energia de transição as torna extremamente sujeitas a instabilidades coletivas.

Essas instabilidades particulares foram observadas por décadas, mas eles não foram suficientemente compreendidos. Na verdade, eles foram mal interpretados. Em um artigo publicado este ano, Eu sugiro uma nova teoria sobre essas instabilidades. A aplicação desta teoria ao acelerador Booster Fermilab previu as principais características da instabilidade ali no cruzamento de transição, sugerindo melhores maneiras de suprimir a instabilidade. Medidas recentes confirmaram as previsões, e estudos experimentais de feixe mais detalhados estão planejados em um futuro próximo.

Acelerar feixes de alta intensidade é uma parte crucial do programa científico do Fermilab. Uma sólida compreensão teórica do comportamento do feixe de partículas equipa os experimentalistas para melhor manipular os parâmetros do acelerador para suprimir a instabilidade. Isso leva aos feixes de alta intensidade necessários para os experimentos do Fermilab em física fundamental. Também é útil para qualquer experimento ou instituição que opere aceleradores circulares.

Os prótons do feixe falam uns com os outros por campos eletromagnéticos, que são de dois tipos. Um é chamado de campo de Coulomb. Esses campos são locais e, por si próprios, não pode conduzir a instabilidades. O segundo tipo é o campo de vigília. Os campos de vigília são irradiados pelas partículas e deixam rastros atrás delas, às vezes, muito atrás.

Quando uma partícula se afasta do caminho do feixe, o campo de esteira traduz essa partida para trás - na esteira deixada pela partícula. Mesmo um pequeno desvio do caminho pode não escapar de ser carregado para trás por esses campos eletromagnéticos. Se os feixes forem intensos o suficiente, seus despertares podem desestabilizá-los.

Na nova teoria, Eu sugeri um modelo matemático compacto que efetivamente leva os dois tipos de campos em consideração, perceber que ambos são importantes quando são fortes o suficiente, como eles normalmente estão próximos à energia de transição.

Este tipo de grande amplificação acontece no Síncrotron de Prótons do CERN, por exemplo, como mostrei em meu artigo mais recente, submetido a aceleradores e vigas de revisão física. Se não for suprimido de uma forma ou de outra, esta amplificação pode crescer até que o feixe toque a parede da câmara de vácuo e se perca. Medições recentes no Booster do Fermilab confirmaram a existência de uma instabilidade semelhante ali; mais medições estão planejadas para o futuro próximo para examinar novos métodos propostos para mitigá-lo.

Esses fenômenos são chamados de instabilidades convectivas transversais, e as descobertas de como eles surgem abrem novas portas para a teoria, formas numéricas e experimentais para melhor compreender e lidar melhor com os intensos feixes de prótons.