CERN mede pela primeira vez uma ressonância invisível no Super Proton Synchrotron

Há um espectro a assombrar os túneis de um acelerador de partículas do CERN.

No Super Proton Synchrotron, os físicos conseguiram finalmente medir e quantificar uma estrutura invisível capaz de desviar a trajetória das partículas no seu interior e de causar dificuldades à investigação em física de partículas.

Uma ressonância no Super Proton Synchrotron

Esta estrutura manifesta-se no espaço de fases, que permite representar um ou mais estados de um sistema em movimento. Como são necessários quatro estados para a representar, os investigadores consideram-na quadridimensional.

A estrutura resulta de um fenómeno chamado ressonância. A capacidade de a quantificar e medir aproxima-nos da resolução de um problema comum a todos os aceleradores de partículas magnéticos.

"Com estas ressonâncias, as partículas deixam de seguir exatamente o trajeto que pretendemos e acabam por se desviar e perder", afirma o físico Giuliano Franchetti, do GSI, na Alemanha. "Isto provoca degradação do feixe e dificulta a obtenção dos parâmetros de feixe exigidos."

A ressonância acontece quando dois sistemas interagem e entram em sintonia. Pode surgir entre órbitas planetárias, à medida que os planetas interagem gravitacionalmente durante o percurso em torno de uma estrela, ou numa forquilha de afinação que começa a vibrar por simpatia quando as ondas sonoras de outra forquilha atingem as suas hastes.

Os aceleradores de partículas recorrem a ímanes muito potentes, que produzem campos eletromagnéticos para orientar e acelerar feixes de partículas até aos locais definidos pelos físicos. Imperfeições nos ímanes podem gerar ressonâncias no acelerador, formando uma estrutura magnética que interage com as partículas de formas problemáticas.

Mapear uma estrutura quadridimensional

Quanto mais graus de liberdade apresentar um sistema dinâmico, maior é a complexidade da sua descrição matemática. As partículas que percorrem um acelerador de partículas são habitualmente descritas com apenas dois graus de liberdade, correspondentes às duas coordenadas necessárias para definir um ponto numa grelha plana.

Para descrever as estruturas existentes nesse contexto, é necessário mapeá-las através de características adicionais no espaço de fases, para além das dimensões cima-baixo e esquerda-direita. Ou seja, cada ponto desse espaço exige quatro parâmetros.

Segundo os investigadores, trata-se de algo que pode facilmente "escapar à nossa intuição geométrica".

"Na física dos aceleradores, pensa-se muitas vezes apenas num plano", diz Franchetti. Contudo, para mapear uma ressonância, é preciso medir o feixe de partículas tanto no plano horizontal como no vertical.

À primeira vista, parece bastante simples, mas abandonar uma forma habitual de encarar um problema pode exigir algum esforço. Compreender os efeitos da ressonância num feixe de partículas exigiu vários anos e simulações computacionais robustas.

Ainda assim, esses dados permitiram a Franchetti e aos físicos Hannes Bartosik e Frank Schmidt, do CERN, medir finalmente a anomalia magnética.

Medições do feixe revelam a anomalia magnética

Com monitores de posição do feixe distribuídos ao longo do Super Proton Synchrotron, a equipa mediu a posição das partículas em aproximadamente 3.000 feixes. Ao determinar cuidadosamente se as partículas estavam centradas ou desviadas para um dos lados, conseguiu criar um mapa da ressonância que assombra o acelerador.

"O que torna a nossa descoberta recente tão especial é mostrar como as partículas individuais se comportam numa ressonância acoplada", afirma Bartosik. "Podemos demonstrar que os resultados experimentais correspondem ao que tinha sido previsto pela teoria e pela simulação."

O passo seguinte consiste em desenvolver uma teoria que explique o comportamento das partículas individuais na presença de uma ressonância num acelerador. De acordo com os investigadores, isso acabará por lhes proporcionar uma nova forma de atenuar a degradação do feixe e obter os feixes de elevada fidelidade necessários para as experiências atuais e futuras de aceleração de partículas.

A investigação da equipa foi publicada na Nature Physics.