فيزيائيون يلتقطون شبحًا رباعي الأبعاد بعيد المنال في مسرع الجسيمات CERN

هناك شبح يطارد أنفاق مسرع الجسيمات في CERN.

في ال سوبر بروتون السنكروترونأخيرًا، قام الفيزيائيون بقياس وتحديد كمية البنية غير المرئية التي يمكن أن تحول مسار الجسيمات الموجودة فيها، وتخلق مشاكل لأبحاث الجسيمات.

تم وصفه بأنه يحدث في مساحة المرحلةوالتي يمكن أن تمثل حالة واحدة أو أكثر من نظام متحرك. وبما أن هناك حاجة إلى أربع حالات لتمثيل الهيكل، فإن الباحثين ينظرون إليه على أنه رباعي الأبعاد.

هذا الهيكل هو نتيجة لظاهرة تعرف باسم صدىوالقدرة على قياسها وقياسها تأخذنا خطوة أقرب إلى حل مشكلة عالمية تتعلق بمسرعات الجسيمات المغناطيسية.

“مع هذه الأصداء، ما يحدث هو أن الجسيمات لا تتبع بالضبط المسار الذي نريده ثم تطير بعيدًا وتضيع.” يقول الفيزيائي جوليانو فرانشيتي ل جي إس آي في ألمانيا. “يؤدي هذا إلى تدهور الشعاع ويجعل من الصعب الوصول إلى معلمات الشعاع المطلوبة.”

يحدث الرنين عندما يتفاعل نظامان ويتزامنان. يمكن أن يكون صدى الناشئة بين مدارات الكواكب أثناء تفاعلهم مع الجاذبية في رحلتهم حول نجم، أو شوكة رنانة تبدأ في الدوران حلقة متعاطفة عندما تصطدم الموجات الصوتية الصادرة عن شوكة رنانة أخرى بأسنانها.

استخدام مسرعات الجسيمات مغناطيس قوي التي تولد مجالات كهرومغناطيسية لتوجيه وتسريع حزم الجسيمات إلى حيث يريد الفيزيائيون أن تذهب. الرنين يمكن أن تحدث في المسرع بسبب عيوب في المغناطيس، مما يؤدي إلى إنشاء بنية مغناطيسية تتفاعل مع الجسيمات بطرق إشكالية.

كلما زادت درجات الحرية التي يظهرها النظام الديناميكي، أصبح وصفه رياضيًا أكثر تعقيدًا. عادةً ما يتم وصف الجسيمات التي تتحرك عبر مسرع الجسيمات باستخدام درجتين فقط من الحرية، مما يعكس الإحداثيتين اللازمتين لتحديد نقطة على شبكة مسطحة.

يتطلب وصف الهياكل الموجودة فيها رسم خرائط لها باستخدام ميزات إضافية في مساحة الطور تتجاوز فقط الأبعاد من أعلى إلى أسفل ومن اليسار إلى اليمين؛ أي أن هناك حاجة إلى أربع معلمات لتعيين كل نقطة في الفضاء.

هذا، يقول الباحثون، هو شيء يمكن بسهولة أن “يراوغ حدسنا الهندسي”.

“في فيزياء المسرعات، غالبًا ما يكون التفكير في مستوى واحد فقط” يقول فرانشيتي. ومع ذلك، من أجل رسم خريطة للرنين، يجب قياس شعاع الجسيمات عبر المستويين الأفقي والرأسي.

يبدو الأمر واضحًا ومباشرًا، ولكن إذا كنت معتادًا على التفكير في شيء ما بطريقة معينة، فقد يتطلب الأمر مجهودًا للتفكير خارج الصندوق. استغرق فهم تأثيرات الرنين على حزمة الجسيمات بضع سنوات، بالإضافة إلى بعض عمليات المحاكاة الحاسوبية الضخمة.

ومع ذلك، فتحت هذه المعلومات الطريق أمام فرانشيتي، جنبًا إلى جنب مع الفيزيائيين هانيس بارتوسيك وفرانك شميدت من CERN، لقياس الشذوذ المغناطيسي أخيرًا.

باستخدام أجهزة مراقبة موضع الشعاع على طول Super Proton Synchrotron، قاموا بقياس موضع الجسيمات لحوالي 3000 شعاع. ومن خلال القياس الدقيق لمكان تمركز الجسيمات، أو انحرافها إلى جانب واحد، تمكنوا من إنشاء خريطة للرنين الذي يطارد المسرع.

“ما يجعل اكتشافنا الأخير مميزًا للغاية هو أنه يوضح كيف تتصرف الجسيمات الفردية في رنين مزدوج.” يقول بارتوسيك. “يمكننا إثبات أن النتائج التجريبية تتفق مع ما تم التنبؤ به بناءً على النظرية والمحاكاة.”

والخطوة التالية هي تطوير نظرية تصف كيف تتصرف الجسيمات الفردية في وجود رنين المسرع. ويقول الباحثون إن هذا سيمنحهم في النهاية طريقة جديدة للتخفيف من تدهور الشعاع، وتحقيق الحزم عالية الدقة المطلوبة لتجارب تسريع الجسيمات الحالية والمستقبلية.

وقد تم نشر بحث الفريق في فيزياء الطبيعة.