Dans un accélérateur de particules, des grappes de particules élémentaires tournent autour d'une orbite soigneusement conçue. Comme ils ont une charge électrique, ils interagissent entre eux et avec leur environnement, conduisant à de petites oscillations autour de la trajectoire de référence (un peu comme un pendule). Si l'interaction est trop forte, l'amplitude de ces oscillations augmente avec le temps, éloigner la particule de l'orbite. Les chercheurs caractérisent ce mouvement en termes de fréquence, ou syntoniser, et son taux de croissance. L'amortissement Landau aide à rendre stable la région de mouvement des particules qui serait autrement instable. Dans leur expérience, les chercheurs ont utilisé la rétroaction pour atteindre la limite de cette région stable. Crédit :Antipov et al.
Amortissement Landau, un phénomène initialement prédit par Lev Landau en 1946, est essentiel pour assurer la stabilité du faisceau collectif dans les accélérateurs de particules. En mesurant précisément la force de l'amortissement Landau, les physiciens peuvent prédire la stabilité des faisceaux dans les collisionneurs à haute énergie.
Des chercheurs de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) ont récemment introduit une procédure pour mesurer la force de l'amortissement de Landau et les limites de la stabilité du faisceau pour les collisionneurs à haute énergie. Cette procédure, décrit dans un article publié dans Lettres d'examen physique , est basé sur l'utilisation d'une rétroaction transversale active comme source contrôlable d'impédance de couplage de faisceau.
"L'amortissement de Landau est un phénomène fascinant qui se produit dans les plasmas, " Sergueï Antipov, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "C'est une suppression des perturbations externes du système dynamique par le biais d'un comportement collectif incohérent de ses éléments individuels. Différents membres réagissent légèrement différemment à l'excitation, interagissent et partagent de l'énergie les uns avec les autres et, par conséquent, l'excitation est amortie, créant une sorte d'ordre à partir du chaos."
Landaus a d'abord prédit l'amortissement alors qu'il analysait l'équation de Vlasov, qui est essentiellement le « modèle standard » de la physique des plasmas. Dans un article publié en 1946, Landau a montré que les ondes électromagnétiques se propageant à travers le plasma devraient se désintégrer même si le plasma lui-même n'a pas de friction (c'est-à-dire, pas d'énergie dissipée).
"À l'époque, cette conclusion peu intuitive a été fortement débattue, jusqu'à ce qu'il soit finalement observé 20 ans après son hypothèse, " Antipov a dit. " Seulement en 2009, les mathématiciens Mouhot et Villani ont finalement résolu l'équation rigoureusement, mettre une base mathématique solide sous l'existence de l'amortissement de Landau, pour lequel ils ont remporté le prix Fields."
Le mouvement des particules à l'intérieur des accélérateurs de particules, comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC), suit également les règles décrites par l'équation de Vlasov. Par conséquent, L'amortissement Landau existe également dans les faisceaux de particules à l'intérieur de ces accélérateurs.
Les physiciens s'appuient sur l'amortissement Landau pour supprimer les mouvements indésirables pouvant résulter de l'interaction d'un faisceau de particules avec son environnement par le biais de champs de sillage électromagnétiques induits. Jusque là, les chercheurs n'ont pu estimer la force de l'amortissement Landau dans un faisceau de particules qu'à l'aide d'une série de modèles simples, car il n'y avait aucun moyen de mesurer directement sa force.
"Un jour, mes collègues et moi étions assis à table après un atelier de physique dans l'Evian française, à l'époque où il y avait encore des ateliers en direct, " expliqua Antipov. " Après quelques verres et un bon repas, la conversation s'est déplacée des questions opérationnelles, le thème de l'atelier, à des choses plus amusantes que nous pourrions faire avec le collisionneur LHC. C'est alors que j'ai proposé d'essayer de mesurer l'amortissement Landau. Il s'est avéré que le système de rétroaction du LHC pourrait être capable de le faire, et le responsable, Daniel, était assis juste en face de moi."
L'idée générale derrière la procédure conçue par Antipov et ses collègues était d'utiliser un système de rétroaction transversale pour émuler la force collective agissant sur un faisceau de particules. Typiquement, cette rétroaction mesure l'orbite du faisceau. Si l'orbite s'écarte de la conception souhaitée, le faisceau peut alors être « déplacé » dans la bonne direction.
"Nous avons configuré le système de rétroaction transversale de manière à ce que son gain et son retard de phase varient avec l'amplitude du mouvement du faisceau, de la même manière que la force d'auto-éveil du faisceau le ferait, " a déclaré Antipov. " Cette configuration nous a permis de conduire une instabilité collective dans le faisceau, mais en même temps, gardez-le sous contrôle. "Puis, nous avons juste fait varier la force de déstabilisation jusqu'à ce que nous voyions l'amortissement Landau le surmonter et stabiliser le faisceau - c'est à ce moment-là que les deux effets, l'instabilité et l'amortissement, sont égaux - et c'est ainsi que vous connaissez la force de l'amortissement Landau dans le faisceau."
Antipov et ses collègues ont évalué la procédure qu'ils ont développée lors d'un test de preuve de principe effectué au LHC. Leurs résultats mettent en évidence le potentiel de leur méthode, suggérant qu'il pourrait être utilisé pour prédire avec précision la stabilité du faisceau dans les collisionneurs à haute énergie de pointe.
« Le LHC est une machine unique pour réaliser des études en termes de capacités, mais ça a un prix, " Antipov a dit. "Parce que la machine est si chère et sensible, tout devrait fonctionner dès le premier essai, sans essai et erreur, et l'échec n'est pas une option. Nous avons donc réuni un petit groupe d'experts et commencé à préparer le plan. Il a fallu un peu de temps pour mettre à jour les commentaires, pour étudier différents scénarios et trouver les bons paramètres où nous étions le plus susceptibles de faire une mesure propre. Puis, un samedi soir, nous venons d'aller à la salle de contrôle, je suis resté là toute la nuit et je l'ai fait."
Le test de preuve de principe réalisé par cette équipe de chercheurs prouve qu'il est possible de mesurer directement la force de l'amortissement Landau. En outre, Antipov et ses collègues ont identifié les conditions nécessaires pour collecter une telle mesure.
À l'avenir, leur travail pourrait ainsi servir de recette que d'autres équipes peuvent suivre pour quantifier avec précision la force de l'amortissement Landau. Pendant ce temps, l'équipe de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire prévoit de tester la procédure sur d'autres machines et collisionneurs au CERN en Suisse et au GSI en Allemagne.
"L'application la plus intéressante de notre procédure semble être sur les accélérateurs de haute intensité à basse énergie, où de fortes forces de Coulomb affectent considérablement le comportement collectif des particules dans un faisceau, " a déclaré Antipov. " C'est là que l'amortissement Landau doit jouer un rôle crucial dans la stabilisation des faisceaux de particules, mais actuellement aucun modèle théorique solide n'existe, les scientifiques des accélérateurs doivent donc s'appuyer sur des simulations numériques sophistiquées. Avec un peu de chance, une méthode expérimentale aidera à faire la lumière sur le problème."
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