فیزیکدانان «روح» تسخیرکنندهٔ مشهورترین شتابدهندهٔ ذرات جهان را کشف کردند
Caroline Delbert
مجلات Hearst و Yahoo ممکن است از طریق این لینکها کمیسیون یا درآمدی دریافت کنند.
مواردی که پس از خواندن این داستان میتوانید یاد بگیرید:
- سینکروترون فوقپروتون سرن در سال ۲۰۲۶ پنجاه ساله میشود و یک «روح» رزونانسدار دارد.
- فیزیکدانان با بهرهگیری از ریاضیات، این خطوط رزونانسدار را اندازهگیری و مدلسازی کردند تا نحوه تقاطع آنها را به دست آورند.
- مدلسازی یک شکل سهبعدی در طول زمان، نیازمند یک سامانه معادلات چهاربعدی است.
در پژوهشی که در نشریه Nature Physics منتشر شد، دانشمندان سرن در سوئیس و دانشگاه گوتفه فرایبورگ در آلمان اعلام کردند که «روح»ی رزونانسدار که بر رفتار ذرات درون سینکروترون فوقپروتون (SPS) تأثیر میگذارد، شناسایی کردهاند.
این یک شکل سهبعدی است که به مرور زمان جابجا میشود؛ به همین دلیل بهترین روش اندازهگیری آن در چهار بعد است. همین راز همان دلیلی است که هنگام قدم زدن به سمت میز کار، قهوهتان میریزد یا دوستانتان را بهصورت پرشهای بزرگ از ترامپولین پرتاب میکنید.
SPS یک حلقه تقریباً چهار مایل (حدود ۶٫۴ کیلومتر) در قطر دارد که به دههٔ ۷۰ بازمیگردد. این گویا تاریخ کهن به نظر میرسد، اما SPS همچنان در سرن حائز اهمیت است. در سال ۲۰۱۹، این سامانه «سیستم تخلیهٔ پرتو» ارتقا‑یافتهای دریافت کرد؛ که همانند رمپ اضطراری برای کامیونهای فرار، برای پرتوهای پرقدرت داخل SPS عمل میکند. بنابراین، وقتی پژوهشگران بهعبارت «روح» را در دستگاه مشاهده کردند، فهمیدند که ترسیم و درک آن برای کارهای آینده بسیار مهم است.
روح ناشی از رزونانس است. وقتی اشیائی انرژی دارند و امواج تولید میکنند، این امواج میتوانند با یکدیگر تداخل کنند و نقاط کوچک عجیبی ایجاد کنند که انرژی در آنها تقویت میشود. هنگام قدمزدن با قهوه، هر قدم امواجی در مایع ایجاد میکند که در نهایت بههم میپیوندند و باعث ریختن قهوه میشوند. در ترامپولین، یک نفر در پرش دیگری «پیوسته» میشود و این تداخل منجر به پرش بسیار بالاتر میشود. و در SPS، «ریختن» قهوه هارمونیک شما به معنی از دست رفتن فوتونهای اساسی بهعنوان یک مثال از تخریب پرتو (beam degradation) میباشد.
«در فیزیک شتابدهنده، درک رزونانسها و دینامیکهای غیرخطی برای جلوگیری از از دست رفتن ذرات پرتو ضروری است»، دانشمندان در مقاله خود توضیح میدهند. و هرچه این مسأله پیچیدهتر میشود، چون اجزای متحرک بیشتری درگیر میشود و «درجهٔ آزادی» بیشتری بهدست میآید. هر جزء متحرک، از جمله اتصالات، ارتعاشات خاص خود را تولید میکند.
تخریب پرتو یک مشکل جدی است، بهویژه وقتی که پرتوهای پروتون بهمرور زمان پرانرژیتر و پایدارتر میشوند. هارمونیکها در سامانههای پیچیده به هر آزمایشی که ذرات درون یک مخزن با هم تعامل میکنند، تأثیر میگذارند — مانند پژوهشهای همجوشی هستهای در توکاماکها. بنابراین تداخل هارمونیک نیز مشکلی سنگین در مسیر دستیابی به همجوشی هستهای مؤثر است؛ چرا که نقاط مردهای ایجاد میکند که جریان انرژی میتواند حرارت حیاتی خود را از دست بدهد.
درون SPS، ذرات تنها دو درجهٔ آزادی دارند که بهنظر ساده میآید. مشابه فوتونهای داخل یک فیبر نوری، این فوتونهای SLS در مسیر کلی میچرخند. اما میتوانند در همان مسیر «پرت» کنند، چون حتی یک پرتو یا کابل باریک هم دارای ضخامت است. SPS یک دونات ضخیم نیست، اما همچنان یک دونات واقعی است؛ نه یک دایرهٔ سادهٔ کتاب هندسه.
این «پرت» بهعلت عوامل انسانی و واقعی منحرف میشود. ممکن است SPS یکی از برترین تأسیسات جهان باشد، اما در علم همه چیز باید با وسایلی که در دست داریم ساخته شود. مغناطیسهای نیرودهنده این تأسیسات ناقصاند و حتی نوسانهای کوچک در میدان مغناطیسی میتوانند رزونانس ایجاد کنند. برای کمیتسازی این موضوع، پژوهشگران اندازهگیریهایی از دور حلقهٔ SPS انجام دادند و از دادهها برای ساخت یک مدل ریاضی به نام بخش پوانکاره (Poincaré section) استفاده کردند.
در یک بخش پوانکاره، یک عنصر را ثابت میکنید (در این مورد، «خط ثابت»یای که پژوهشگران در مقاله خود به آن اشاره میکنند) و بهصورت گامبهگام در نظام پیش میروید، تمام تقاطعهای عناصر دیگر را نقشهبرداری میکنید تا یک «سطح» کامل شکل بگیرد. نتایج شبیه یک اسکن MRI برای یک سامانهٔ پویا است که شکل آن با هر گام میتواند تغییر کند — و در اینجا، با افزودن زمان بهعنوان بعد چهارم. از آنجایی که رزونانس در یک سامانهٔ بسته مانند SPS بهتکرار میرسد، مطالعهٔ سطح 4‑بعدی میتواند همانند یک GIF با کیفیت بالا بهصورت حلقهای درآید.
در ریاضیات خود، تیم دریافت که خطوط ثابت میتوانند پیشبینی کنند ذرات در کجا تجمع مییابند. با اختصاص زمان به مطالعه و مدلسازی این پدیده، آنها امید دارند به پژوهشگرانی که استراتژیهای کاهش اثر این خطوط هارمونیک ثابت را توسعه میدهند، کمک کنند.
این کار میتواند به سازندگان شتابدهندههای ذرات جدید کمک کند تا از بهوجود آمدن «ارواح» مغناطیسی از همان ابتدا جلوگیری کنند؛ امری که میتواند هزینههای زیادی را با حفظ سالمبودن پرتوها و دادهها صرفهجویی کند و نتایج با کیفیت بالاتر را با کمترین کار بهدست آورد.