Đo đạc cấu trúc cộng hưởng kết cặp có thể là nguyên nhân mất mát hạt trong máy gia tốc

Dù là lắng nghe âm nhạc hay đu đưa một cái xích đu trong sân chơi, chúng ta đều quen thuộc với sự cộng hưởng và cách chúng khuếch đại hiệu ứng – ví dụ như một âm thanh hoặc một chuyển động. Tuy nhiên, các máy gia tốc hạt vòng xuyến năng lượng cao, các cộng hưởng có thể là một phiền phức, nguyên nhân dẫn đến các hạt bay chệch hướng khỏi “sân chơi” của mình và làm mất mát chùm tia.

Máy gia tốc hạt lớn LHC của CERN.

Muốn dự đoán được cách các cộng hưởng và phi tuyến ảnh hưởng đến các chùm hạt, người ta phải hiểu vô số động lực học phức tạp để khỏi phải bối rối.

Lần đầu tiên trong lịch sử vật lý hạt, các nhà khoa học tại máy gia tốc Super Proton Synchrotron (SPS), trong hợp tác với các nhà khoa học tại GSI ở Darmstadt, Đức, đã có thể chứng tỏ bằng thực nghiệm sự tồn tại của một cấu trúc cộng hưởng hạt. Trong khi trước đây người ta chỉ nêu nó về mặt lý thuyết và sau đó là đưa vào các mô phỏng, cấu trúc này vô cùng khó để nghiên cứu về mặt thực nghiệm vì nó ảnh hưởng lên các hạt trong một không gian bốn chiều.

Những kết quả mới nhất, được xuất bản trên Nature Physics 1, sẽ giúp cải thiện chất lượng chùm tia với các chùm tia năng lượng thấp và chùm tia siêu sáng cho những máy phun/bơm ở LHC tại CERN và thiết bị SIS18/SIS100 tại GSI, cũng như những chùm tia năng lượng cao với độ sáng lớn hơn từ LHC và các vành va chạm năng lượng cao tương lai.

“Với các cộng hưởng này, những gì diễn ra là các hạt không theo một cách chính xác con đường mà chúng ta muốn, sau đó nó bay chệch đi và bị mất mát”, theo Giuliano Franchetti, một nhà khoa học tại GSI và một trong những tác giả của bài báo. “Điều này dẫn đến việc giảm phẩm chất chùm tia và khiến cho nó khó đạt tới các tham số chùm tia cần có”.

Ý tưởng nhìn vào nguyên nhân của hiện tượng này đột sinh vào năm 2002, khi các nhà khoa học tại GSI và CERN nhận ra là những mất mát hạt tăng lên khi các máy gia tốc đạt đến các mức cường độ chùm tia cao hơn. “Sự hợp tác đến là do nhu cầu hiểu về giới hạn của các cỗ máy, vì vậy chúng tôi có thể cứu được hiệu suất của chùm tia và cường độ cần thiết cho tương lai”, Hannes Bartosik, một nhà khoa học tại CERN và một tác giả khác của bài báo, nói.

Sau nhiều năm, các lý thuyết và các mô phỏng được phát triển để hiểu cách các cộng hưởng ảnh hưởng lên chuyển động của hạt trong những chùm tia cường độ cao. “Nó đòi hỏi một nỗ lực mô phỏng khủng khiếp với những nhóm chuyên về máy gia tốc lớn để có thể hiểu được ảnh hưởng của các cộng hưởng lên độ bền của chùm tia”, Frank Schmidt tại CERN, cũng đồng thời là một trong những tác giả của bài báo, nói. Các mô phỏng chứng tỏ là các cấu trúc cộng hưởng  do sự kết cặp ở hai bậc tự do gây ra là một nguyên nhân chính dẫn đến sự giảm phẩm chất chùm tia

Phải mất một thời gian dài để nghĩ về cách nhìn vào những cấu trúc cộng hưởng đó ở thực nghiệm. Nguyên nhân của nó là do chúng có bốn chiều không gian và đòi hỏi chùm tia phải được đo đạc trong cả mặt ngang lẫn mặt thẳng đứng để xem là nó có tồn tại không. “Trong vật lý máy gia tốc, suy nghĩ thường chỉ ở trong một mặt phẳng”, Franchetti nói.

Để đo đạc cách các cộng hưởng ảnh hưởng đến chuyển động hạt, các nhà khoa học sử dụng vị trí xung quanh SPS. Trên xấp xỉ 3.000  đường đi của chùm tia, các máy móc đo đạc liệu các hạt trong chùm tia được tập trung vào giữa hai lệch nhiều hơn về một bên, cả ở mặt ngang lẫn mặt thẳng đứng. Cấu trúc cộng hưởng được tìm thấy chứng tỏ trong sơ đồ.

Các cộng hưởng bốn chiều phức tạp hơn cộng hưởng một chiều. Đây là sơ đồ chứng tỏ cấu trúc cộng hưởng bốn chiều được đo đạc trong SPS. Nguồn: H. Bartosik, G. Franchetti và F. Schmidt

“Những gì khiến cho phát hiện của chúng tôi gần đây trở nên đặc biệt là nó chứng tỏ từng hạt hành xử như thế nào trong một cộng hưởng kết cặp”, Bartosik tiếp tục. “Chúng tôi có thể chứng minh là những phát hiện của thực nghiệm này đồng nhất với những gì được đã được dự đoán về lý thuyết và mô phỏng”.

Trong khi sự tồn tại của các cấu trúc cộng hưởng kết cặp đã được quan sát về mặt thực nghiệm, vẫn còn nhiều thứ cần phải làm để giảm thiểu ảnh hưởng bất lợi của chúng. “Chúng tôi đang phát triển một lý thuyết để miêu tả cách hạt chuyển động với sự hiện diện của các cộng hưởng hiện tại này”, Franchetti tiếp tục. “Với nghiên cứu này, việc kết hợp với tất cả những nghiên cứu trước đây, chúng tôi hi vọng sẽ có được những manh mối để tránh được hoặc tối thiểu hóa tác động của các cộng hưởng đó trên các máy gia tốc hiện tại và tương lai”.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2024-03-cern-coupled-resonance-particle-loss.html

https://interestingengineering.com/science/cern-resonance-particle-loss-accelerators

—————————————————-

1.https://www.nature.com/articles/s41567-023-02338-3

Tác giả