Los físicos de partículas resuelven un problema que los ha estado “atormentando” durante más de 20 años

La ilustración traza la trayectoria del rayo a medida que pasa a través del cuadrupolo de radiofrecuencia de cobre, el imán dipolo negro y el sistema de medición con ranuras, hasta el detector de partículas. La complejidad estructural de la viga aumenta cuando se mide a resoluciones progresivamente más altas. Crédito: ORNL / Jill Hemman

Un rayo acelerador de alta intensidad está formado por billones de partículas que corren a la velocidad del rayo por un sistema de poderosos imanes y superconductores de alta energía. Calcular la física del rayo es tan complejo que ni siquiera las supercomputadoras más rápidas pueden mantener el ritmo.

Sin embargo, un logro histórico de los físicos de aceleradores en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) ha permitido que las caracterizaciones de los haces se estudien con nuevos y extraordinarios detalles. Utilizaron una técnica de medición desarrollada recientemente para comprender mejor la pérdida del haz: partículas perdidas que viajan fuera de los campos de confinamiento del acelerador. Mitigar la pérdida de haz es fundamental para lograr aceleradores más potentes a escalas más pequeñas y menores costos.

“Es un problema que nos ha estado persiguiendo durante más de 20 años”, dijo el físico del acelerador de ORNL Alexander Aleksandrov. “La pérdida de haz es probablemente el mayor problema para los aceleradores de alta intensidad, como el Gran Colisionador de Hadrones en CERN y la fuente de neutrones de espalación (SNS) aquí en Oak Ridge “.

Con una potencia de 1,4 megavatios, SNS es una de las instalaciones de investigación insignia del DOE que aprovecha los neutrones para estudiar la energía y los materiales a escala atómica. Los neutrones se crean en el SNS impulsando racimos, o pulsos, de protones a casi el 90 por ciento de la velocidad de la luz por el acelerador lineal de la instalación, o linac. Al final del linac, los pulsos del haz de protones chocan contra un recipiente de metal lleno de mercurio líquido en remolino a una velocidad de 60 veces por segundo.

Las colisiones atómicas crean fragmentos de neutrones, alrededor de 20 neutrones por protón. Luego, los neutrones vuelan a través de moderadores de energía y cámaras de vacío hasta los instrumentos circundantes donde los científicos los usan para estudiar cómo están dispuestos los átomos de un material y cómo se comportan. Esencialmente, aumentar la potencia del acelerador aumenta la cantidad de neutrones creados, lo que a su vez aumenta la productividad científica de la instalación y permite nuevos tipos de experimentos.

“Idealmente, queremos que todas las partículas del haz se concentren en una sola nube muy compacta. Cuando las partículas se alejan, forman nubes de baja densidad, llamadas halo de haz. Si el halo se vuelve demasiado grande y toca las paredes del acelerador, eso da como resultado la pérdida del haz y puede crear efectos de radiación y otros problemas ”, dijo Aleksandrov.

En lugar de realizar las mediciones en el SNS, el equipo utilizó una réplica del linac del SNS en la instalación de pruebas de haces de ORNL. El uso de una réplica permite a los investigadores realizar estudios avanzados de física en el acelerador sin interrumpir los experimentos en la instalación real de producción de neutrones.

La técnica de medición avanzada se basa en el mismo enfoque que los investigadores utilizaron en 2018 para realizar la primera medición del haz del acelerador de partículas en seis dimensiones. Mientras que el espacio 3D incluye puntos en los ejes x, y y z para medir la posición, el espacio 6D tiene tres coordenadas adicionales para medir el ángulo o trayectoria de una partícula.

“La técnica es bastante simple. Tomamos un bloque de material con una serie de ranuras que usamos para cortar pequeñas muestras de la viga. Eso nos proporciona un haz que contiene un número más pequeño y manejable de partículas que podemos medir, y podemos mover ese bloque para medir otras secciones del haz ”, dijo Aleksandrov.

Las muestras de haz se extrajeron de uno de los componentes de aceleración primarios del linac llamado línea de transporte de haz de energía media, o MEBT. La réplica de MEBT, de unos 4 metros de largo, incluye un raspador de haz para reducir el halo de haz temprano y proporciona más espacio que los MEBT típicos para otras herramientas de diagnóstico.

“Pero, en lugar de recortar el espacio de fase 6D, esta vez solo recortamos muestras en el espacio de fase bidimensional”, dijo. “Básicamente, si puede medir en seis dimensiones con una resolución razonable, entonces puede medir en dimensiones más bajas con una resolución mucho mayor”.

Usando las mediciones 6D como un enfoque de referencia, la medición en 2D desbloqueó un nivel de resolución radicalmente mejorado de 1 parte por millón. Una parte por millón es importante para los aceleradores modernos por dos razones, según Aleksandrov. Es la densidad máxima permitida a la que es manejable el halo del haz, y es el nivel de resolución, o rango dinámico, necesario para validar y construir simulaciones de modelado por computadora más precisas del efecto del halo del haz.

“En el pasado, el modelado de haces a este nivel era una tarea imposible porque las computadoras no eran capaces de calcular miles de millones de partículas; y ahora pueden, pero no se puede hacer con precisión sin estas distribuciones iniciales de haces ”, dijo Kiersten Ruisard, investigadora postdoctoral de Clifford G. Shull en ORNL. “No conocemos ningún modelo que prediga los patrones de pérdida de haz que se miden en el acelerador real. Probar nuestros modelos con este nivel de precisión sin precedentes es necesario para construir simulaciones más sólidas que nos ayudarán a mitigar estas pérdidas “.

Medir el haz a una energía relativamente baja de 2,5 megaelectronvoltios proporcionó a los investigadores información sobre cómo modelar el haz a energías más altas. Aleksandrov dijo que ya están trabajando en la próxima mejora de la técnica, que implicará el uso de láseres para medir el rayo a una energía significativamente mayor de 1 gigaelectronvoltio. Esa actualización tardará algunos años.

Los resultados de la investigación del equipo se publican en la revista científica Instrumentos y métodos nucleares en la investigación física. Además de Aleksandrov, Cousineau y Ruisard, los autores del artículo incluyen a Alexander Zhukov de ORNL.

“Aunque ahora podríamos fabricar aceleradores de 100 megavatios, simplemente no es práctico. Serían demasiado grandes y demasiado costosos ”, dijo la física Sarah Cousineau, jefa de la sección de ciencia y tecnología en la División Aceleradora de Investigación de ORNL. “Mejorar la resolución de la medición a niveles más altos no solo nos permite avanzar en la comprensión y simulación del halo de haz, sino que también avanza nuestra comprensión de cómo hacer que los aceleradores sean más potentes, a escalas más pequeñas y a costos mucho más razonables”.

Referencia: “Primera medición de una emitancia de salida de RFQ de 2,5 MeV con rango dinámico de 1 parte por millón” por A. Aleksandrov, S. Cousineau, K. Ruisard y A. Zhukov, 2 de noviembre de 2020, Instrumentos y métodos nucleares en la investigación física.
DOI: 10.1016 / j.nima.2020.164829

SNS es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. UT-Battelle LLC administra ORNL para la Oficina de Ciencias del DOE. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más urgentes de nuestro tiempo.