Em um acelerador de partículas, feixes de partículas elementares circulam em torno de uma órbita cuidadosamente projetada. Como eles têm carga elétrica, eles interagem uns com os outros e com o ambiente, levando a pequenas oscilações em torno da trajetória de referência (como um pêndulo). Se a interação for muito forte, a amplitude dessas oscilações aumenta com o tempo, empurrando a partícula para longe da órbita. Os pesquisadores caracterizam esse movimento em termos de sua frequência, ou sintonizar, e sua taxa de crescimento. O amortecimento Landau ajuda a tornar estável a região do movimento das partículas que, de outra forma, seria instável. Em seu experimento, os pesquisadores usaram o feedback para chegar ao limite dessa região estável. Crédito:Antipov et al.
Amortecimento Landau, um fenômeno originalmente previsto por Lev Landau em 1946, é essencial para garantir a estabilidade do feixe coletivo em aceleradores de partículas. Ao medir com precisão a força do amortecimento Landau, os físicos podem prever a estabilidade dos feixes em colisões de alta energia.
Pesquisadores da Organização Européia para Pesquisa Nuclear (CERN) introduziram recentemente um procedimento para medir a força do amortecimento de Landau e os limites de estabilidade do feixe para colisões de alta energia. Este procedimento, descrito em um artigo publicado em Cartas de revisão física , baseia-se no uso de uma realimentação transversal ativa como uma fonte controlável de impedância de acoplamento de feixe.
"O amortecimento de Landau é um fenômeno fascinante que ocorre nos plasmas, "Sergey Antipov, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse Phys.org. "É uma supressão de perturbações externas do sistema dinâmico por meio do comportamento incoerente coletivo de seus elementos individuais. Membros diferentes reagem à excitação de maneira ligeiramente diferente, interagir e compartilhar energia uns com os outros e, como resultado, a excitação é amortecida, criando uma espécie de ordem do caos. "
Landaus primeiro previu amortecimento enquanto analisava a equação de Vlasov, que é essencialmente o "modelo padrão" da física do plasma. Em um artigo publicado em 1946, Landau mostrou que as ondas eletromagnéticas que se propagam através do plasma devem decair, mesmo que o próprio plasma não tenha atrito (ou seja, sem dissipação de energia).
"Naquela época, esta conclusão não intuitiva foi altamente debatida, até que foi finalmente observado 20 anos após a hipótese, "Antipov disse." Somente em 2009, os matemáticos Mouhot e Villani finalmente resolveram a equação com rigor, colocando uma base matemática sólida sob a existência de amortecimento de Landau, pelo qual ganharam o prêmio Fields. "
O movimento das partículas dentro dos aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider (LHC), também segue as regras delineadas pela equação de Vlasov. Como resultado, O amortecimento de Landau também existe em feixes de partículas dentro desses aceleradores.
Os físicos contam com o amortecimento de Landau para suprimir movimentos indesejáveis que podem resultar da interação de um feixe de partículas com seus arredores por meio de campos de vigília eletromagnéticos induzidos. Até aqui, pesquisadores só foram capazes de estimar a força de amortecimento de Landau em um feixe de partículas usando uma série de modelos simples, pois não havia como medir diretamente sua força.
"Um dia, meus colegas e eu estávamos sentados à mesa de jantar depois de um workshop de física no francês Evian, nos dias em que ainda havia workshops ao vivo, "Antipov explicou." Depois de alguns drinques e boa comida, a conversa mudou das questões operacionais, o tema do workshop, para mais coisas divertidas que poderíamos fazer com o colisor LHC. Foi quando propus tentar medir o amortecimento de Landau. Descobriu-se que o sistema de feedback do LHC poderia ser capaz de fazer isso, e a pessoa responsável por isso, Daniel, estava sentado bem na minha frente. "
A ideia geral por trás do procedimento desenvolvido por Antipov e seus colegas era usar um sistema de feedback transversal para emular a força coletiva agindo em um feixe de partículas. Tipicamente, este feedback mede a órbita do feixe. Se a órbita se desviar do projeto desejado, o feixe pode então ser 'movido' na direção certa.
"Configuramos o sistema de feedback transversal de forma que seu ganho e seu atraso de fase variassem com a amplitude do movimento do feixe, da mesma forma que a força de auto-despertar do feixe, "Antipov disse." Esta configuração nos permitiu gerar uma instabilidade coletiva no feixe, mas ao mesmo tempo, mantenha-o sob controle. "Então, nós apenas variamos a força desestabilizadora até que vimos o amortecimento de Landau, superando-a e estabilizando o feixe - é aí que os dois efeitos, a instabilidade e o amortecimento, são iguais - e é assim que você sabe a força do amortecimento de Landau na viga. "
Antipov e seus colegas avaliaram o procedimento que desenvolveram em um teste de prova de princípio realizado no LHC. Suas descobertas destacam o potencial de seu método, sugerindo que ele poderia ser usado para prever com precisão a estabilidade do feixe em colisões de alta energia de última geração.
“O LHC é uma máquina única para a realização de estudos quanto às suas capacidades, mas tem um custo, "Antipov disse." Porque a máquina é tão cara e sensível, tudo deve funcionar desde a primeira tentativa, sem tentativa e erro, e o fracasso não é uma opção. Assim, reunimos um pequeno grupo de especialistas e começamos a preparar o plano. Demorou um pouco para atualizar o feedback, para estudar diferentes cenários e encontrar os parâmetros corretos onde é mais provável que façamos uma medição limpa. Então, um sábado à noite, acabamos de ir para a sala de controle, sentou lá a noite toda e fez isso. "
O teste de prova de princípio realizado por esta equipe de pesquisadores prova que é possível medir diretamente a resistência do amortecimento de Landau. Além disso, Antipov e seus colegas identificaram as condições necessárias para coletar tal medição.
No futuro, seu trabalho pode, portanto, servir como uma receita que outras equipes podem seguir para quantificar com precisão a força do amortecimento de Landau. Enquanto isso, a equipe da Organização Européia para Pesquisa Nuclear planeja testar o procedimento em outras máquinas e coletores no CERN na Suíça e no GSI na Alemanha.
"A aplicação mais interessante para o nosso procedimento parece ser em aceleradores de alta intensidade de baixa energia, onde fortes forças de Coulomb afetam drasticamente o comportamento coletivo das partículas em um feixe, "Antipov disse." É aí que o amortecimento de Landau deve desempenhar um papel crucial na estabilização dos feixes de partículas, mas atualmente nenhum modelo teórico sólido existe, portanto, os cientistas de aceleradores precisam confiar em simulações numéricas sofisticadas. Esperançosamente, um método experimental ajudará a esclarecer o problema. "
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