Les accélérateurs génèrent des faisceaux de particules subatomiques pour une science de pointe. Plus l'intensité d'un faisceau est élevée, plus il y a d'opportunités d'étudier les interactions des particules. Une façon d'augmenter l'intensité consiste à fusionner deux faisceaux avec une technique appelée slip-stack. Cependant, en les combinant, l'interaction des faisceaux peut provoquer une instabilité.

Ici, Je résume les résultats d'une étude dans laquelle j'ai modélisé ces effets et conclu qu'une rétroaction spéciale rendrait les faisceaux beaucoup plus stables. Le retour d'information requis a ensuite été conçu et mis en œuvre par Nathan Eddy et son équipe Fermilab. Le résultat a été une augmentation de 20 pour cent de l'intensité du faisceau de protons et une réduction de la perte de faisceau d'un facteur de deux.

L'empilement par glissement double l'intensité des faisceaux de particules. Cependant, cela les rend plus sujettes aux instabilités et aux pertes de particules. Pour supprimer ces effets indésirables, une analyse et le retour d'informations qui en ont résulté ont permis d'ouvrir la voie à de futurs accélérateurs de particules qui reposent sur l'empilement par glissement pour atteindre des intensités élevées.

En empilant deux séparés, poutres à ras bord, les chercheurs maximisent le nombre de particules circulant dans l'anneau. C'est bon pour créer des faisceaux de haute intensité, mais il y a un compromis.

Les faisceaux générés par l'accélérateur sont constitués de faisceaux de particules appelés paquets. L'accélération de deux faisceaux séparés qui sont non seulement très proches mais dont les paquets constitutifs sont en danse constante l'un avec l'autre est une situation très chargée. Dans l'anneau de recyclage du Fermilab, un élément majeur de la chaîne d'accélérateurs du laboratoire, chaque faisceau comprend environ 500 paquets. Un nombre aussi élevé a fait de l'interaction couplée-tas une puissante source d'instabilités collectives. En partie parce que les distances entre les paquets des deux faisceaux d'empilage par glissement changent constamment, la dynamique du faisceau est compliquée à modéliser.

Un effet majeur est que les grappes en interaction se bousculent hors de leurs orbites. Un modèle mathématique du système à deux faisceaux a été suggéré et analysé, suivi d'une proposition de retour d'expérience supprimant ces écarts de trajectoire indésirables. Dans le système de rétroaction, des capteurs de détection placés à l'intérieur de l'accélérateur circulaire mesurent les décalages des paquets par rapport à leurs orbites prévues. Un amplificateur reçoit cette information et l'envoie ensuite à un kicker qui donne aux paquets errants un kick qui les envoie sur le bon chemin.

Peu de temps après que l'idée de la rétroaction spéciale a été proposée, une équipe d'accélérateurs dirigée par Eddy a conçu et installé l'appareil dans l'anneau de recyclage. Par conséquent, les pertes de faisceau du recycleur ont été presque réduites de moitié, et l'intensité du faisceau a augmenté de 20 % ; la puissance du faisceau de protons atteint 700 kilowatts, l'un des objectifs du programme d'accélérateurs du Laboratoire Fermi.