El acelerador de partículas ha revelado muchos misterios fascinantes sobre el universo. Gracias a él, los científicos han podido descubrir partículas fundamentales como el bosón de Higgs, que ayuda a entender cómo las partículas adquieren masa. También ha permitido estudiar las condiciones del universo justo después del Big Bang, ayudándonos a comprender mejor la naturaleza de la materia y la energía. Aunque todavía hay muchos secretos por descubrir, estos avances nos acercan cada vez más a entender los misterios más profundos del cosmos. ¡Es realmente emocionante lo que la ciencia puede revelar!
Hay un espectro rondando los túneles de un acelerador de partículas en el CERN.
En el Súper Sincrotrón de Protones, los físicos finalmente han medido y cuantificado una estructura invisible que puede desviar el curso de las partículas que contiene y crear problemas para la investigación de partículas.
Se describe como algo que ocurre en el espacio de fases , que puede representar uno o más estados de un sistema en movimiento. Dado que se requieren cuatro estados para representar la estructura, los investigadores la consideran cuatridimensional.
Esta estructura es el resultado de un fenómeno conocido como resonancia , y poder cuantificarla y medirla nos acerca un paso más a la solución de un problema universal de los aceleradores de partículas magnéticas.
“Con estas resonancias, las partículas no siguen exactamente la trayectoria deseada y se dispersan”, explica el físico Giuliano Franchetti, del GSI en Alemania. “Esto provoca la degradación del haz y dificulta alcanzar los parámetros requeridos”.
La resonancia se produce cuando dos sistemas interactúan y se sincronizan. Podría ser una resonancia que surge entre las órbitas planetarias al interactuar gravitacionalmente en su viaje alrededor de una estrella, o un diapasón que empieza a vibrar simpáticamente cuando las ondas sonoras de otro diapasón chocan con sus púas.
Los aceleradores de partículas utilizan potentes imanes que generan campos electromagnéticos para guiar y acelerar haces de partículas hacia donde los físicos desean que lleguen. Pueden producirse resonancias en el acelerador debido a imperfecciones en los imanes, lo que crea una estructura magnética que interactúa con las partículas de forma problemática.
Cuantos más grados de libertad exhiba un sistema dinámico, más complejo será su descripción matemática. Las partículas que se mueven a través de un acelerador de partículas suelen describirse utilizando solo dos grados de libertad, lo que refleja las dos coordenadas necesarias para definir un punto en una cuadrícula plana.
Para describir las estructuras allí es necesario mapearlas usando características adicionales en el espacio de fases más allá de las dimensiones arriba-abajo, izquierda-derecha; es decir, se necesitan cuatro parámetros para mapear cada punto en el espacio.
Esto, dicen los investigadores , es algo que podría fácilmente “eludir nuestra intuición geométrica”.
«En la física de aceleradores, el pensamiento suele centrarse en un solo plano», afirma Franchetti . Sin embargo, para mapear una resonancia, es necesario medir el haz de partículas en los planos horizontal y vertical.
Parece bastante sencillo, pero si estás acostumbrado a pensar en algo de una forma específica, podría requerir un esfuerzo pensar de forma innovadora. Comprender los efectos de la resonancia en un haz de partículas llevó bastantes años y complejas simulaciones por computadora.
Sin embargo, esa información abrió el camino para que Franchetti, junto con los físicos Hannes Bartosik y Frank Schmidt del CERN, finalmente midieran la anomalía magnética.
Utilizando monitores de posición de haces a lo largo del Super Sincrotrón de Protones, midieron la posición de las partículas de aproximadamente 3000 haces. Al medir cuidadosamente dónde se centraban las partículas o dónde se desviaban hacia un lado, lograron generar un mapa de la resonancia que afectaba al acelerador.
“Lo que hace que nuestro reciente hallazgo sea tan especial es que muestra cómo se comportan las partículas individuales en una resonancia acoplada”, afirma Bartosik . “Podemos demostrar que los hallazgos experimentales concuerdan con lo predicho con base en la teoría y la simulación”.
El siguiente paso es desarrollar una teoría que describa el comportamiento de las partículas individuales en presencia de la resonancia del acelerador. Según los investigadores, esto les brindará una nueva forma de mitigar la degradación del haz y lograr la alta fidelidad necesaria para los experimentos de aceleración de partículas actuales y futuros.
La investigación del equipo ha sido publicada en Nature Physics .
La estructura de resonancia 4D que los investigadores midieron en el Super Sincrotrón de Protones. (H. Bartosik, G. Franchetti y F. Schmidt, Nature Physics , 2024)
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