Pour la première fois, des scientifiques du Super Synchrotron à Protons (SPS), en collaboration avec des scientifiques du GSI de Darmstadt, ont pu prouver expérimentalement l'existence d'une structure de résonance particulière. Bien qu'elle ait déjà été théorisée et apparue dans des simulations, cette structure est très difficile à étudier expérimentalement car elle affecte les particules dans un espace à quatre dimensions.

Ces derniers résultats, publiés dans Nature Physics , contribuera à améliorer la qualité des faisceaux de basse énergie et de haute luminosité pour les injecteurs du LHC au CERN et l'installation SIS18/SIS100 du GSI, ainsi que pour les faisceaux de haute énergie et de grande luminosité, comme ceux du LHC et des futurs collisionneurs à haute énergie.

"Avec ces résonances, ce qui se passe, c'est que les particules ne suivent pas exactement le chemin souhaité, puis s'envolent et se perdent", explique Giuliano Franchetti, scientifique au GSI et l'un des auteurs de l'article. "Cela provoque une dégradation du faisceau et rend difficile l'atteinte des paramètres de faisceau requis."

L'idée d'en rechercher la cause est apparue en 2002, lorsque des scientifiques du GSI et du CERN ont réalisé que les pertes de particules augmentaient à mesure que les accélérateurs poussaient à une intensité de faisceau plus élevée. "La collaboration est née de la nécessité de comprendre ce qui limitait ces machines afin que nous puissions fournir les performances et l'intensité de faisceau nécessaires pour l'avenir", explique Hannes Bartosik, scientifique au CERN et autre auteur de l'article.

Au fil des années, des théories et des simulations ont été développées pour comprendre comment les résonances affectaient le mouvement des particules dans les faisceaux de haute intensité. "Il a fallu un énorme effort de simulation de la part des grandes équipes d'accélérateurs pour comprendre l'effet des résonances sur la stabilité du faisceau", explique Frank Schmidt du CERN, également l'un des auteurs de l'article. Les simulations ont montré que les structures de résonance induites par le couplage à deux degrés de liberté sont l'une des principales causes de dégradation du faisceau.

Il a fallu beaucoup de temps pour concevoir comment rechercher expérimentalement ces structures de résonance. En effet, ils sont quadridimensionnels et nécessitent que le faisceau soit mesuré dans les plans horizontal et vertical pour voir s'ils existent. "En physique des accélérateurs, la réflexion se fait souvent sur un seul plan", ajoute Franchetti.

Pour mesurer l'impact des résonances sur le mouvement des particules, les scientifiques ont utilisé des moniteurs de position du faisceau autour du SPS. Sur environ 3 000 passages de faisceau, les moniteurs ont mesuré si les particules du faisceau étaient centrées ou davantage sur un côté, à la fois dans les plans horizontal et vertical. La structure de résonance trouvée est illustrée dans la figure ci-dessous.

"Ce qui rend nos récentes découvertes si spéciales, c'est qu'elles montrent comment les particules individuelles se comportent dans une résonance couplée", poursuit Bartosik. "Nous pouvons démontrer que les résultats expérimentaux sont conformes à ce qui avait été prédit sur la base de la théorie et de la simulation."

Bien que l’existence de structures de résonance couplées ait maintenant été observée expérimentalement, il reste encore beaucoup à faire pour réduire leur effet néfaste. "Nous développons une théorie pour décrire comment les particules se déplacent en présence de ces résonances", poursuit Franchetti. "Avec cette étude, couplée à toutes les précédentes, nous espérons obtenir des indices sur la manière d'éviter ou de minimiser les effets de ces résonances pour les accélérateurs actuels et futurs."