Un faisceau d'accélérateur à haute intensité est formé de milliers de milliards de particules qui courent à la vitesse de l'éclair dans un système d'aimants puissants et de supraconducteurs à haute énergie. Le calcul de la physique du faisceau est si complexe que même les supercalculateurs les plus rapides ne peuvent pas suivre.

Cependant, une réalisation marquante des physiciens des accélérateurs du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE) a permis d'étudier les caractérisations des faisceaux avec de nouveaux détails extraordinaires. Ils ont utilisé une nouvelle technique de mesure pour mieux comprendre la perte de faisceau, c'est-à-dire les particules parasites qui se déplacent en dehors des champs de confinement de l'accélérateur. L'atténuation de la perte de faisceau est primordiale pour réaliser des accélérateurs plus puissants à plus petite échelle et à moindre coût.

"C'est un problème qui nous hante depuis plus de 20 ans, " a déclaré le physicien des accélérateurs ORNL Alexander Aleksandrov. " La perte de faisceau est probablement le plus gros problème pour les accélérateurs à haute intensité, comme le Large Hadron Collider au CERN et la Spallation Neutron Source (SNS) ici à Oak Ridge."

Fonctionnant à 1,4 mégawatt, SNS est l'une des installations de recherche phares du DOE qui exploite les neutrons pour étudier l'énergie et les matériaux à l'échelle atomique. Les neutrons sont créés au SNS en propulsant des paquets, ou légumineuses, de protons à près de 90 % de la vitesse de la lumière dans l'accélérateur linéaire de l'installation, ou linac. A la sortie du linac, les impulsions du faisceau de protons se brisent dans un récipient cible en métal rempli de mercure liquide tourbillonnant à une vitesse de 60 fois par seconde.

Les collisions atomiques créent des éclats de neutrons—environ 20 neutrons par proton. Les neutrons traversent ensuite des modérateurs d'énergie et des chambres à vide jusqu'aux instruments environnants où les scientifiques les utilisent pour étudier comment les atomes d'un matériau sont disposés et comment ils se comportent. Essentiellement, augmenter la puissance de l'accélérateur augmente le nombre de neutrons créés, ce qui à son tour augmente la productivité scientifique de l'installation et permet de nouveaux types d'expériences.

"Idéalement, nous voulons que toutes les particules du faisceau soient concentrées en une seule, nuage très compact. Lorsque des particules s'éloignent, ils forment des nuages ​​de faible densité, appelé un halo de faisceau. Si le halo devient trop grand et touche les parois de l'accélérateur, qui entraîne une perte de faisceau et peut créer des effets de rayonnement et d'autres problèmes, ", a déclaré Alexandre.

Au lieu de faire les mesures au SNS, l'équipe a utilisé une réplique du linac SNS au Beam Test Facility de l'ORNL. L'utilisation d'une réplique permet aux chercheurs de mener des études de physique avancées sur l'accélérateur sans interrompre les expériences dans l'installation de production de neutrons proprement dite.

La technique de mesure avancée est basée sur la même approche que les chercheurs ont utilisée en 2018 pour faire la première mesure du faisceau d'un accélérateur de particules en six dimensions . Alors que l'espace 3-D comprend des points sur le x, oui, et les axes z pour mesurer la position, L'espace 6D a trois coordonnées supplémentaires pour mesurer l'angle d'une particule, ou trajectoire.

"La technique est en fait assez simple. Nous prenons un bloc de matériau avec un certain nombre de fentes que nous utilisons pour découper de petits échantillons du faisceau. Cela nous fournit un faisceau contenant un plus petit, nombre plus gérable de particules que nous pouvons mesurer, et nous pouvons déplacer ce bloc pour mesurer d'autres sections du faisceau, ", a déclaré Alexandre.

Les échantillons de faisceau ont été extraits de l'un des principaux composants d'accélération du linac appelé la ligne de transport de faisceau à moyenne énergie, ou MEBT. La réplique MEBT, environ 4 mètres de long, comprend un racleur de faisceau pour réduire le halo de faisceau précoce et offre plus d'espace que les MEBT typiques pour d'autres outils de diagnostic.

"Mais, au lieu de découper l'espace de phase 6D, cette fois, nous n'avons découpé que des échantillons dans un espace de phase bidimensionnel, " dit-il. " En gros, si vous pouvez mesurer en six dimensions avec une résolution raisonnable, alors vous pouvez mesurer dans des dimensions inférieures avec une résolution beaucoup plus élevée."

En utilisant les mesures 6D comme approche de base, la mesure en 2D a débloqué un niveau de résolution radicalement amélioré de 1 partie par million. Une partie par million est importante pour les accélérateurs modernes pour deux raisons, selon Aleksandrov. C'est la densité maximale admissible à laquelle le halo de faisceau est gérable, et c'est le niveau de résolution, ou plage dynamique, nécessaires pour valider et construire des simulations de modélisation informatique plus précises de l'effet de halo du faisceau.

"Autrefois, la modélisation de faisceaux à ce niveau était en quelque sorte une tâche impossible parce que les ordinateurs n'étaient pas capables de calculer des milliards de particules; et maintenant ils peuvent, mais cela ne peut pas être fait avec précision sans ces distributions de faisceau initiales, " dit Kiersten Ruisard, un chercheur postdoctoral Clifford G. Shull à l'ORNL. « A notre connaissance, aucun modèle ne prédit les schémas de perte de faisceau mesurés dans le véritable accélérateur. Il est nécessaire de tester nos modèles avec ce niveau de précision sans précédent pour créer des simulations plus robustes qui nous aideront à atténuer ces pertes. »

La mesure du faisceau à une énergie relativement faible de 2,5 mégaélectronvolts a permis aux chercheurs de mieux comprendre comment modéliser le faisceau à des énergies plus élevées. Aleksandrov a déclaré qu'ils travaillaient déjà sur la prochaine amélioration technique, qui impliquera l'utilisation de lasers pour mesurer le faisceau à une énergie nettement plus élevée de 1 gigaélectronvolt. Cette mise à niveau est dans quelques années.

Les résultats des recherches de l'équipe sont publiés dans la revue scientifique Instruments et méthodes nucléaires dans la recherche en physique . En plus d'Alexandre, Cousineau, et Ruisard, les auteurs de l'article incluent Alexander Zhukov de l'ORNL.

« Bien que nous puissions fabriquer des accélérateurs de classe 100 mégawatts maintenant, ce n'est juste pas pratique. Ils seraient trop gros et trop chers, " a déclaré la physicienne Sarah Cousineau, le chef de la section science et technologie de la division des accélérateurs de recherche de l'ORNL. "Améliorer la résolution de la mesure à des niveaux plus élevés nous permet non seulement de progresser dans la compréhension et la simulation du halo de faisceau, mais cela fait également progresser notre compréhension de la façon de rendre les accélérateurs plus puissants, à plus petite échelle, et à des coûts bien plus raisonnables."