Accéléré, les faisceaux de particules chargées font ce que la lumière fait pour les microscopes :illuminent la matière. Plus les faisceaux sont intenses, plus les scientifiques peuvent examiner facilement l'objet qu'ils regardent. Mais l'intensité a un coût :plus les faisceaux sont intenses, plus ils deviennent sujets aux instabilités.

Un type d'instabilité se produit lorsque l'énergie moyenne des particules accélérées traversant une machine circulaire atteint sa valeur de transition. Le point de transition se produit lorsque les particules tournent autour de l'anneau à la même vitesse, même s'ils ne portent pas tous la même énergie - en fait, ils présentent une gamme d'énergies. Le mouvement spécifique des particules à proximité de l'énergie de transition les rend extrêmement sujettes aux instabilités collectives.

Ces instabilités particulières ont été observées pendant des décennies, mais ils n'étaient pas suffisamment compris. En réalité, ils ont été mal interprétés. Dans un article publié cette année, Je propose une nouvelle théorie sur ces instabilités. L'application de cette théorie à l'accélérateur Fermilab Booster a prédit les principales caractéristiques de l'instabilité au niveau du croisement de transition, suggérant de meilleures façons de supprimer l'instabilité. Des mesures récentes ont confirmé les prédictions, et des études expérimentales plus détaillées sur les faisceaux sont prévues dans un proche avenir.

L'accélération des faisceaux de haute intensité est un élément crucial du programme scientifique du Fermilab. Une solide compréhension théorique du comportement des faisceaux de particules permet aux expérimentateurs de mieux manipuler les paramètres de l'accélérateur pour supprimer l'instabilité. Cela conduit aux faisceaux de haute intensité nécessaires aux expériences du Laboratoire Fermi en physique fondamentale. Il est également utile pour toute expérience ou institution exploitant des accélérateurs circulaires.

Les protons du faisceau communiquent entre eux par des champs électromagnétiques, qui sont de deux sortes. L'un s'appelle le champ de Coulomb. Ces champs sont locaux et, par eux-mêmes, ne peut pas conduire à des instabilités. Le deuxième type est le champ de sillage. Les champs de sillage sont rayonnés par les particules et traînent derrière elles, parfois loin derrière.

Lorsqu'une particule s'éloigne de la trajectoire du faisceau, le champ de sillage traduit ce départ en arrière — dans le sillage laissé par la particule. Même un petit écart par rapport à la trajectoire peut ne pas échapper à un recul par ces champs électromagnétiques. Si les faisceaux sont suffisamment intenses, leurs sillages peuvent les déstabiliser.

Dans la nouvelle théorie, J'ai proposé un modèle mathématique compact qui prend effectivement en compte les deux types de champs, réalisant que les deux sont importants quand ils sont assez forts, car ils sont généralement proches de l'énergie de transition.

Ce genre d'amplification énorme se produit au synchrotron à protons du CERN, par exemple, comme je l'ai montré dans mon article le plus récent, soumis à l'examen physique des accélérateurs et des faisceaux. S'il n'est pas supprimé d'une manière ou d'une autre, cette amplification peut croître jusqu'à ce que le faisceau touche la paroi de la chambre à vide et se perde. Des mesures récentes au Fermilab Booster ont confirmé l'existence d'une instabilité similaire là-bas; d'autres mesures sont prévues dans un proche avenir pour examiner les nouvelles méthodes proposées pour l'atténuer.

Ces phénomènes sont appelés instabilités convectives transverses, et les découvertes de leur origine ouvrent de nouvelles portes à la théorie, moyens numériques et expérimentaux pour mieux comprendre et mieux gérer les faisceaux de protons intenses.