Seja ouvindo música ou empurrando um balanço no parquinho, todos estamos familiarizados com as ressonâncias e como elas amplificam um efeito – um som ou um movimento, por exemplo. No entanto, em aceleradores de partículas circulares de alta intensidade, as ressonâncias podem ser um inconveniente, fazendo com que as partículas saiam do seu curso e resultando na perda do feixe. Prever como as ressonâncias e os fenômenos não lineares afetam os feixes de partículas requer que algumas dinâmicas muito complexas sejam desemaranhadas.



Pela primeira vez, cientistas do Super Proton Synchrotron (SPS), em colaboração com cientistas do GSI em Darmstadt, conseguiram provar experimentalmente a existência de uma estrutura de ressonância específica. Embora já tenha sido teorizada e aparecida em simulações, esta estrutura é muito difícil de estudar experimentalmente, pois afeta partículas em um espaço quadridimensional.

Estes últimos resultados, publicados em Nature Physics , ajudará a melhorar a qualidade do feixe para feixes de baixa energia e alto brilho para os injetores LHC no CERN e a instalação SIS18/SIS100 no GSI, bem como para feixes de alta energia com grande luminosidade, como o LHC e futuros colisores de alta energia.

“Com essas ressonâncias, o que acontece é que as partículas não seguem exatamente o caminho que queremos e depois voam e se perdem”, diz Giuliano Franchetti, cientista do GSI e um dos autores do artigo. "Isso causa degradação do feixe e dificulta o alcance dos parâmetros de feixe exigidos."

A ideia de procurar a causa disto surgiu em 2002, quando cientistas do GSI e do CERN perceberam que as perdas de partículas aumentavam à medida que os aceleradores pressionavam por uma intensidade de feixe mais elevada. “A colaboração surgiu da necessidade de compreender o que estava a limitar estas máquinas para que pudéssemos fornecer o desempenho e a intensidade do feixe necessários para o futuro”, diz Hannes Bartosik, cientista do CERN e outro dos autores do artigo.

Ao longo de muitos anos, teorias e simulações foram desenvolvidas para compreender como as ressonâncias afetavam o movimento das partículas em feixes de alta intensidade. “Foi necessário um enorme esforço de simulação por parte de grandes equipas de aceleradores para compreender o efeito das ressonâncias na estabilidade do feixe”, diz Frank Schmidt do CERN, também um dos autores do artigo. As simulações mostraram que as estruturas de ressonância induzidas pelo acoplamento em dois graus de liberdade são uma das principais causas da degradação do feixe.

Demorou muito para descobrir como procurar experimentalmente essas estruturas de ressonância. Isso ocorre porque eles são quadridimensionais e exigem que o feixe seja medido nos planos horizontal e vertical para verificar se existem. “Na física dos aceleradores, o pensamento geralmente ocorre em apenas um plano”, acrescenta Franchetti.

Para medir como as ressonâncias afetam o movimento das partículas, os cientistas usaram monitores de posição do feixe ao redor do SPS. Ao longo de aproximadamente 3.000 passagens de feixe, os monitores mediram se as partículas do feixe estavam centralizadas ou mais para um lado, tanto no plano horizontal quanto no vertical. A estrutura de ressonância encontrada é mostrada na figura abaixo.

“O que torna a nossa descoberta recente tão especial é que ela mostra como as partículas individuais se comportam numa ressonância acoplada”, continua Bartosik. “Podemos demonstrar que as descobertas experimentais concordam com o que foi previsto com base na teoria e na simulação”.

Embora a existência das estruturas de ressonância acopladas tenha sido agora observada experimentalmente, ainda há muito a ser feito para reduzir o seu efeito prejudicial. “Estamos desenvolvendo uma teoria para descrever como as partículas se movem na presença dessas ressonâncias”, continua Franchetti. “Com este estudo, aliado a todos os anteriores, esperamos obter pistas sobre como evitar ou minimizar os efeitos dessas ressonâncias nos aceleradores atuais e futuros”.

Mais informações: H. Bartosik et al, Observação de linhas fixas induzidas por uma ressonância não linear no Super Proton Synchrotron do CERN, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02338-3
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