Observando resonancias de aceleradores en 4D
January 4th, 2025

Por primera vez, los científicos del CERN, en colaboración con científicos del GSI, han podido medir una estructura de resonancia acoplada que puede causar la pérdida de partículas en los aceleradores.

El supersincrotrón de protones del CERN en 2022. (Imagen: CERN)
El supersincrotrón de protones del CERN en 2022. (Imagen: CERN)

Ya sea que estemos escuchando música o empujando un columpio en el patio de recreo, todos estamos familiarizados con las resonancias y cómo amplifican un efecto, un sonido o un movimiento, por ejemplo. Sin embargo, en los aceleradores de partículas circulares de alta intensidad, las resonancias pueden ser un inconveniente, ya que hacen que las partículas se desvíen de su trayectoria y se pierda el haz. Para predecir cómo las resonancias y los fenómenos no lineales afectan a los haces de partículas es necesario desentrañar algunas dinámicas muy complejas.

Por primera vez, los científicos del Super Sincrotrón de Protones (SPS), en colaboración con los científicos del GSI de Darmstadt, han podido demostrar experimentalmente la existencia de una estructura de resonancia particular. Aunque ya se había teorizado y aparecido en simulaciones, esta estructura es muy difícil de estudiar experimentalmente, ya que afecta a partículas en un espacio de cuatro dimensiones*. Estos últimos resultados, publicados en Nature Physics* ,* ayudarán a mejorar la calidad de los haces de baja energía y alto brillo para los inyectores del LHC en el CERN y las instalaciones SIS18/SIS100 en el GSI, así como para los haces de alta energía con gran luminosidad, como el LHC y los futuros colisionadores de alta energía.

“Con estas resonancias, lo que ocurre es que las partículas no siguen exactamente el camino que queremos y luego se alejan y se pierden”, explica Giuliano Franchetti, científico del GSI y uno de los autores del artículo. “Esto provoca la degradación del haz y dificulta alcanzar los parámetros requeridos”.

La idea de buscar la causa de este fenómeno surgió en 2002, cuando los científicos del GSI y del CERN se dieron cuenta de que las pérdidas de partículas aumentaban a medida que los aceleradores exigían una mayor intensidad del haz. “La colaboración surgió de la necesidad de comprender qué limitaba a estas máquinas para que pudiéramos ofrecer el rendimiento y la intensidad del haz necesarios para el futuro”, afirma Hannes Bartosik, científico del CERN y otro de los autores del artículo.

Durante muchos años se han desarrollado teorías y simulaciones para entender cómo las resonancias afectan al movimiento de partículas en haces de alta intensidad. “Fue necesario un enorme esfuerzo de simulación por parte de grandes equipos de aceleradores para entender el efecto de las resonancias en la estabilidad del haz”, afirma Frank Schmidt del CERN, también uno de los autores del artículo. Las simulaciones mostraron que las estructuras de resonancia inducidas por el acoplamiento en dos grados de libertad son una de las principales causas de la degradación del haz.

Llevó mucho tiempo idear cómo buscar experimentalmente estas estructuras de resonancia, ya que son tetradimensionales* y es necesario medir el haz tanto en el plano horizontal como en el vertical para ver si existen. “En la física de aceleradores, a menudo se piensa en un solo plano”, añade Franchetti.

Para medir cómo las resonancias afectan el movimiento de las partículas, los científicos utilizaron monitores de posición del haz alrededor del SPS. A lo largo de aproximadamente 3000 pasadas del haz, los monitores midieron si las partículas en el haz estaban centradas o más hacia un lado, tanto en el plano horizontal como en el vertical. La estructura de resonancia que se encontró se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Visualizar conceptualmente las estructuras de resonancia 4D es mucho más complicado que las resonancias unidimensionales. Esta imagen muestra la estructura de resonancia 4D medida en el SPS. (Imagen: H. Bartosik, G. Franchetti y F. Schmidt,  Nature Physics )
Figura 1: Visualizar conceptualmente las estructuras de resonancia 4D es mucho más complicado que las resonancias unidimensionales. Esta imagen muestra la estructura de resonancia 4D medida en el SPS. (Imagen: H. Bartosik, G. Franchetti y F. Schmidt,  Nature Physics )

“Lo que hace que nuestro reciente hallazgo sea tan especial es que muestra cómo se comportan las partículas individuales en una resonancia acoplada”, continúa Bartosik. “Podemos demostrar que los hallazgos experimentales coinciden con lo que se había predicho con base en la teoría y la simulación”.

Aunque la existencia de las estructuras de resonancia acopladas ya se ha observado experimentalmente, todavía queda mucho por hacer para reducir sus efectos perjudiciales. “Estamos desarrollando una teoría para describir cómo se mueven las partículas en presencia de estas resonancias”, continúa Franchetti. “Con este estudio, junto con todos los anteriores, esperamos obtener pistas sobre cómo evitar o minimizar los efectos de estas resonancias en los aceleradores actuales y futuros”.


*El espacio se refiere al “espacio de fases”, el espacio en el que se representan todos los estados posibles de un sistema.

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