Проведено первое шестимерное измерение пучка в ускорителе частиц

Команда исследователей под руководством Университета Теннесси в Ноксвилле провела измерение в испытательном помещении Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) при помощи копии линейного ускорителя Spallation Neutron Source (SNS). Детали исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

«Наша цель — понять физику пучка, чтобы улучшить работу ускорителей, — говорит Сара Кузино, руководитель группы Research Accelerator Division в ORNL и профессор кафедры в Университете Теннесси. — Это частично связано с возможностью полностью охарактеризовать или измерить пучок в шестимерном пространстве. Ничего подобного до этого момента не было».

Шестимерное пространство похоже на трехмерное, но у него есть еще три дополнительные координаты на осях X, Y и Z для отслеживания движения или скорости.

«Мы тут же увидели, что в шестимерном пространстве пучок обладает сложной структурой, которую невозможно увидеть в пространстве менее чем с пятью измерениями: множество сложных слоев, которые невозможно распутать, — рассказывает Кузино. — Измерение также показало, что структура пучка напрямую связана с его интенсивностью и усложняется при ее росте».

Предыдущие попытки полностью охарактеризовать пучок в ускорителе стали жертвами «проклятия размерности», когда расчеты в более низких измерениях невообразимо сложные в более высоких измерениях. Ученые пытались обойти проблему, добавив три двухмерные координаты, чтобы создать квазишестимерное изображение. Команда отмечает, что этого подхода недостаточно для измерения изначальных условий пучка при вхождении в ускоритель, которые определяют его дальнейшее поведение в устройстве.

Чтобы повысить выходную мощность SNS, физики из ORNL использовали испытательное помещение для ввода в эксплуатацию нового радиочастотного квадруполя — первого ускорительного элемента, расположенного в передней части линейного ускорителя. После установки инфраструктуры, полученный от Национального научного фонда США, грант позволил оборудовать испытательное помещение современным оборудованием для шестимерных измерений. Проведение расчетов в шестимерном пространстве в ускорителе было ограничено, поскольку для этого требовалось несколько дней непрерывной работы оборудования.

«Так как у нас есть копия передней сборки линейного ускорителя в испытательном помещении, нам не нужно беспокоиться о том, что мы прервем чьи-то эксперименты на SNS. Это предоставляет нам свободный доступ к проведению таких трудоемких расчетов, которого у нас бы не было на других объектах», — объясняет ведущий автор Брэндон Кэйти, аспирант Университета Теннесси.

Главная цель исследователей — смоделировать весь пучок, включая уменьшение так называемого гало пучка: когда частицы перемещаются к внешним областям пучка и теряются. Они утверждают, что главная сложность сейчас — найти программное обеспечение, способное анализировать около пяти миллионов точек данных, сгенерированных в течение 35 часов работы с шестимерными расчетами.

«Когда мы 15 лет назад предложили провести шестимерные измерения, проблема, связанная с «проклятием» размерности, казалась непреодолимой, — говорит физик ORNL и соавтор исследования Александр Александров. — Теперь, когда у нас все получилось, мы уверены, что сможем улучшить систему для проведения быстрых измерений более высокого разрешения, добавив практически вездесущую технику к арсеналу физиков, работающих с ускорителями частиц по всему миру».

«Это исследование жизненно важно для нашего понимания, если мы собираемся строить ускорители, способные достигать сотни мегаватт, — говорит Кузино. — Мы изучим это на протяжении следующих десяти лет, а SNS подходит для этого больше, чем любое другое место в мире».