Interplay of space charge and intrabeam scattering in the LHC ion injector chain

In de enorme, cirkelvormige tunnels van deeltjesversnellers laten wetenschappers bundels subatomaire deeltjes racen naar de uiterste grens van snelheid. Deze machines zijn de motoren van de moderne fysica, waarbij ze deeltjes op elkaar laten botsen om de fundamentele bouwstenen van het universum te onthullen. Het houden van deze bundels gefocust en stabiel is echter een constante strijd. De deeltjes binnen een bundel zijn niet slechts passieve reizigers; ze zijn geladen, en gelijke ladingen stoten elkaar af. Deze afstoting, bekend als ruimtecharge (space charge), werkt als een interne druk die de bundel probeert uit elkaar te blazen. Tegelijkertijd botsen de deeltjes voortdurend tegen elkaar aan in een chaotisch, microscopisch verstrooiingsproces dat intrabeam-verstrooiing wordt genoemd. Hoewel deze botsingen willekeurig en minuscuul lijken, kunnen ze er na verloop van tijd voor zorgen dat de bundel uitwaaiert, waardoor de strakke focus die nodig is voor hoogenergetische botsingen verloren gaat. Voor de Large Hadron Collider bij CERN, die protonen en zware ionen op elkaar laat botsen, is de kwaliteit van de bundel die de hoofdring binnenkomt cruciaal. Als de bundel te veel degradeert in de kleinere injectoren die hem voeden, zullen de uiteindelijke botsingen zwak en onproductief zijn.

De uitdaging is bijzonder groot voor zware ionenbundels, die worden gebruikt om de omstandigheden van het vroege universum te bestuderen. In de injectoren voor deze ionen werken de effecten van deeltjes die elkaar wegduwen en deeltjes die tegen elkaar verstrooien niet geïsoleerd. In plaats daarvan interageren ze in een complexe dans van krachten die moeilijk te voorspellen is. Jarenlang hebben natuurkundigen geprobeerd deze effecten op computers te simuleren om te begrijpen hoe de bundels gezond kunnen blijven. Vroege modellen behandelden deze krachten vaak apart of gebruikten vereenvoudigde benaderingen die goed werkten voor sommige machines, maar faalden in het verklaren van het gedrag van andere machines. In het bijzonder, wanneer de energie van de bundel onder een bepaalde drempelwaarde ligt, bekend als de transitie-energie, kan het verstrooiingsproces daadwerkelijk energie overdragen tussen verschillende richtingen van beweging, waardoor de bundel in de ene richting krimpt terwijl hij in een andere richting uitzet. Deze subtiele uitwisseling maakt het probleem veel moeilijker op te lossen, aangezien de krachten de interne structuur van de bundel voortdurend hervormen.

Een team van onderzoekers van CERN en de Universiteit van Kreta heeft nu een nieuwe manier ontwikkeld om deze complexe wisselwerking te simuleren. Ze hebben een geavanceerd computermodel gemaakt dat de beweging van miljoenen virtuele deeltjes volgt terwijl ze door de versnellingsringen reizen. In plaats van het verstrooiingseffect te behandelen als een simpele, willekeurige duw, behandelt hun nieuwe model het als een combinatie van een constante wrijvingskracht en een willekeurige schok. Deze aanpak stelt de simulatie in staat om te vangen hoe deeltjes impuls uitwisselen tussen de horizontale, verticale en longitudinale richtingen. De onderzoekers hebben dit nieuwe model getest tegen de bekende wiskundige regels voor deeltjesverstrooiing en ontdekten dat het de voorspellingen met opmerkelijke precisie matchede. Vervolgens pasten ze deze tool toe op twee specifieke machines in de CERN-keten: de Low Energy Ion Ring en de Super Proton Synchrotron. Dit zijn de kritieke stadia waar zware ionenbundels worden voorbereid voordat ze naar de hoofdcollider worden gestuurd.

De simulaties onthulden een verrassende waarheid over waarom deze bundels soms degraderen. Wanneer de onderzoekers het model draaiden met alleen het ruimtecharge-effect, of met alleen het verstrooiingseffect, kwamen de resultaten niet overeen met wat ze in echte experimenten zagen. De bundels in de simulaties gedroegen zich te goed; ze verloren niet zoveel intensiteit of waaierden niet zoveel uit als de werkelijke machines dat deden. Echter, wanneer ze beide effecten tegelijkertijd aanzetten, begon de simulatie plotseling de werkelijkheid te spiegelen. De combinatie van de twee krachten creëerde een feedbackloop waarbij de willekeurige verstrooiing de deeltjes hielp om naar onstabiele regio's van het magnetische veld van de machine te drijven, terwijl de ruimtecharge hen verder naar de randen duwde. Deze interactie zorgde ervoor dat de bundel veel sneller deeltjes verloor en breder werd dan elk van de twee effecten alleen zou kunnen doen.

In de Low Energy Ion Ring richtte het team zich op een specifiek type instabiliteit waarbij de vorm van de bundel vervormd raakte. Door hun simulatie aan te passen om kleine, onvermijdelijke imperfecties in de magneten van de machine in te sluiten, waren ze in staat het exacte patroon van deeltjesverlies te reproduceren dat in echte metingen werd waargenomen. Het model toonde aan dat de wisselwerking tussen de twee krachten de sleutel was tot het begrijpen van waarom de bundel moeite had nabij bepaalde magnetische resonanties. Op een vergelijkbare manier, in de veel grotere en krachtigere Super Proton Synchrotron, werden de onderzoekers geconfronteerd met een mysterie uit 2016 waarbij de bundel plotseling in beide richtingen expandeerde. Eerdere pogingen om dit te verklaren met slechts één kracht of de andere waren mislukt. De nieuwe gecombineerde simulatie slaagde er echter in de geobserveerde expansie te reproduceren, waarbij werd aangetoond dat de twee effecten die samenwerkten verantwoordelijk waren voor de plotselinge opzwelling.

De bevindingen suggereren dat om de prestaties van deeltjesversnellers echt te begrijpen en te optimaliseren, wetenschappers moeten stoppen met het bekijken van deze krachten in isolatie. Het gedrag van de bundel is het resultaat van een delicaat evenwicht waarbij de willekeurige verstrooiing van deeltjes de verstorende duw van de ruimtecharge kan versterken, vooral wanneer de magnetische velden van de machine niet perfect uniform zijn. Dit inzicht is cruciaal voor de toekomst van de deeltjesfysica. Terwijl wetenschappers plannen voor nog krachtigere colliders, zullen ze rekening moeten houden met deze complexe wisselwerking om te garanderen dat de bundels stabiel en intens blijven. De nieuwe simulatietool biedt een betrouwbare manier om verschillende machine-instellingen te testen en te voorspellen hoe de bundel zal reageren, wat ingenieurs helpt bij het ontwerpen van versnellers die de extreme omstandigheden kunnen aan die nodig zijn om de geheimen van het universum te ontrafelen. Door nauwkeurig te modelleren hoe deze onzichtbare krachten interageren, hebben de onderzoekers een duidelijk pad geboden om de bundels van de toekomst gefocust en klaar voor ontdekking te houden.