Em um desenvolvimento inovador no Super Proton Synchrotron do CERN, uma equipe de físicos quantificou pela primeira vez uma estrutura invisível de quatro dimensões no espaço de fase que tem afetado a trajetória das partículas dentro do acelerador. Esta descoberta é crucial para abordar um desafio de longa data no domínio dos aceleradores de partículas magnéticas.
O fenômeno no coração desta descoberta é conhecido como ressonância, uma condição onde dois sistemas se sincronizam, afetando o comportamento das partículas dentro do acelerador. Giuliano Franchetti, um físico do GSI na Alemanha, elaborou sobre o assunto, afirmando: “Com essas ressonâncias, o que acontece é que as partículas não seguem exatamente o caminho que queremos e então se desviam e se perdem. Isso causa degradação do feixe e dificulta alcançar os parâmetros de feixe necessários.”
Ressonâncias podem surgir de várias interações, como aquelas entre órbitas planetárias ou entre diapasões quando ondas sonoras de um iniciam a vibração no outro. Em aceleradores de partículas, ressonâncias são tipicamente induzidas por imperfeições nos campos magnéticos gerados pelos ímãs do acelerador. Essas imperfeições levam à criação de uma estrutura magnética que interage com as partículas de uma maneira que pode desviá-las de seu caminho pretendido.
Tradicionalmente, o movimento de partículas através de um acelerador tem sido descrito usando dois graus de liberdade, correspondendo às coordenadas bidimensionais necessárias para mapear um ponto em uma grade plana. No entanto, a estrutura identificada pelos pesquisadores exige uma descrição mais complexa envolvendo quatro parâmetros, representando uma significativa partida dos modelos convencionais bidimensionais.
Franchetti destacou o desafio que isso apresenta, notando: “Em física de aceleradores, o pensamento é frequentemente apenas em um plano.” Para mapear precisamente a ressonância, medições tiveram que ser feitas em ambos os planos horizontal e vertical, exigindo uma mudança de perspectiva e abordagem.
O processo de compreensão e quantificação dos efeitos da ressonância em feixes de partículas foi longo, dependendo fortemente de simulações computacionais sofisticadas. No entanto, as percepções obtidas desses esforços abriram caminho para Franchetti e seus colegas, Hannes Bartosik e Frank Schmidt do CERN, medirem diretamente a anomalia magnética elusiva.
Ao empregar monitores de posição de feixe dentro do Super Proton Synchrotron, a equipe conseguiu rastrear as posições das partículas em aproximadamente 3.000 feixes. Esse rastreamento meticuloso, focando em onde as partículas estavam centradas ou desviadas, possibilitou a criação de um mapa detalhado da ressonância afetando o acelerador.
Bartosik expressou a significância de suas descobertas, afirmando: “O que torna nossa recente descoberta tão especial é que ela mostra como partículas individuais se comportam em uma ressonância acoplada. Podemos demonstrar que os achados experimentais concordam com o que havia sido previsto com base em teoria e simulação.”
O próximo objetivo da equipe é desenvolver uma teoria abrangente que explique como partículas individuais respondem a ressonâncias de aceleradores. Tal teoria não apenas aprofundaria o entendimento do comportamento de partículas dentro de aceleradores, mas também ofereceria novas estratégias para mitigar a degradação do feixe. Alcançar feixes de maior fidelidade é crucial para o sucesso de experimentos atuais e futuros em aceleração de partículas.
Esta pesquisa, que marca um marco significativo no campo da física de aceleradores, foi documentada em uma publicação na Nature Physics.
