CERN首次测量可能导致加速器中粒子损失的耦合共振结构

无论是听音乐还是在操场上荡秋千，我们都熟悉共振以及它们如何放大效果(例如声音或运动)。然而，在高强度圆形粒子加速器中，共振可能会带来不便，导致粒子飞离其轨道并导致束流损失。预测共振和非线性现象如何影响粒子束需要解开一些非常复杂的动力学。

超级质子同步加速器(SPS)的科学家与达姆施塔特GSI的科学家合作，首次通过实验证明了特定共振结构的存在。虽然它之前已被理论化并出现在模拟中，但这种结构很难通过实验进行研究，因为它会影响四维空间中的粒子。

这些发表在《自然物理学》上的最新成果将有助于提高CERN大型强子对撞机注入器和GSISIS18/SIS100设施的低能高亮度光束的光束质量，以及大尺寸高能光束的光束质量。光度，例如大型强子对撞机和未来的高能对撞机。

GSI科学家、该论文的作者之一GiulianoFranchetti表示：“通过这些共振，粒子不会完全按照我们想要的路径飞行，然后飞走并迷失方向。”“这会导致光束退化，并使其难以达到所需的光束参数。”

寻找其原因的想法出现于2002年，当时GSI和CERN的科学家意识到，随着加速器追求更高的束流强度，粒子损失会增加。欧洲核子研究中心的科学家、该论文的另一位作者汉内斯·巴托西克(HannesBartosik)表示：“此次合作是为了了解限制这些机器的因素，以便我们能够提供未来所需的光束性能和强度。”

多年来，理论和模拟不断发展，以了解共振如何影响高强度光束中的粒子运动。“大型加速器团队需要付出巨大的模拟努力才能了解共振对光束稳定性的影响，”该论文的作者之一、欧洲核子研究中心的弗兰克·施密特(FrankSchmidt)说道。模拟表明，两个自由度耦合引起的共振结构是梁退化的主要原因之一。

我们花了很长时间来设计如何通过实验寻找这些共振结构。这是因为它们是四维的，需要在水平和垂直平面上测量光束以查看它们是否存在。“在加速器物理学中，思维通常只在一个平面上，”弗朗凯蒂补充道。

为了测量共振如何影响粒子运动，科学家们在SPS周围使用了光束位置监视器。在大约3,000个光束通道中，监测器测量了光束中的粒子在水平和垂直平面上是否居中或偏向一侧。发现的共振结构如下图所示。

“我们最近的发现之所以如此特别，是因为它显示了单个粒子在耦合共振中的行为方式，”巴托西克继续说道。“我们可以证明实验结果与基于理论和模拟的预测一致。”

虽然现在已通过实验观察到耦合共振结构的存在，但仍需做更多工作来减少其有害影响。“我们正在开发一种理论来描述粒子在存在这些共振的情况下如何移动，”弗朗凯蒂继续说道。“通过这项研究，加上之前的所有研究，我们希望能够找到如何避免或最小化这些共振对当前和未来加速器的影响的线索。”