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En una investigación publicada en la revista Nature Physics, científicos del CERN en Suiza y la Universidad Goethe de Frankfurt en Alemania han aislado una resonancia, un “fantasma”, que afecta el comportamiento de las partículas dentro del Sincrotrón de Protones Superiores (SPS).

Este fenómeno, que adopta la forma de una estructura tridimensional que cambia con el tiempo, se describe mejor mediante un sistema de ecuaciones en cuatro dimensiones. La clave para comprenderlo reside en el mismo principio que explica por qué se derrama el café al caminar o cómo se logra un rebote más alto en un trampolín.

El SPS, un anillo de casi cuatro millas de diámetro que data de la década de 1970, sigue siendo una instalación vital en el CERN. En 2019, recibió una actualización de su “vertedero de haces”, un sistema de seguridad similar a una rampa de escape para camiones fuera de control, diseñado para los haces de alta potencia dentro del SPS. Por ello, cuando los investigadores detectaron esta anomalía, comprendieron la importancia de mapearla y entenderla para futuros trabajos.

El “fantasma” es causado por la resonancia. Cuando los objetos tienen energía y generan ondas, estas pueden interactuar entre sí, creando puntos específicos donde la energía se amplifica. Al caminar con café, cada paso genera ondas en el líquido que eventualmente se encuentran y provocan el derrame. En un trampolín, una persona puede saltar “dentro” del salto de otra, amplificando su altura. Y en el SPS, este efecto de resonancia puede provocar la pérdida de fotones esenciales, un fenómeno conocido como degradación del haz.

“En física de aceleradores, comprender las resonancias y la dinámica no lineal es crucial para evitar la pérdida de partículas en el haz”, explican los científicos en el artículo. La complejidad aumenta a medida que el problema involucra más componentes móviles y más “grados de libertad”, cada uno de los cuales genera sus propias vibraciones.

La degradación del haz es un problema significativo, especialmente a medida que los haces de protones se vuelven más energéticos y robustos. Además, las armónicas en sistemas complejos afectan cualquier experimento donde las partículas interactúen dentro de un recipiente, como la investigación de fusión nuclear en tokamaks. La interferencia armónica también representa un gran desafío para lograr una fusión nuclear productiva, creando puntos muertos donde la corriente de energía puede perder calor vital.

Dentro del SPS, las partículas solo tienen dos grados de libertad, lo que no parece tan complejo. Al igual que los fotones dentro de una fibra óptica, estos fotones del SPS viajan a lo largo de una trayectoria general, pero también pueden “rebotar” dentro de ella, ya que incluso un haz o cable estrecho tiene un cierto grosor. El SPS no es un donut grueso, pero es un donut real, no un círculo en una ilustración geométrica.

Este “rebote” se distorsiona debido a factores humanos y de la realidad. El SPS puede ser una de las instalaciones más importantes del mundo, pero todo en la ciencia debe construirse con los recursos disponibles. Los imanes que alimentan estas instalaciones son imperfectos, e incluso pequeñas fluctuaciones en el magnetismo pueden causar resonancia. Para cuantificar esto, los investigadores tomaron mediciones alrededor del anillo del SPS y utilizaron los datos para construir un modelo matemático llamado sección de Poincaré.

En una sección de Poincaré, se estabiliza un elemento (en este caso, una “línea fija” mencionada en el artículo) y se recorre el sistema, mapeando todas las intersecciones de los otros elementos hasta formar una superficie completa. Los resultados son similares a una resonancia magnética, pero para un sistema dinámico cuya forma puede cambiar con cada paso, y en este caso, con la adición del tiempo, como la cuarta dimensión. Dado que la resonancia en un sistema cerrado como el SPS tiende a repetirse, el estudio de la superficie 4D puede repetirse como un GIF bien hecho.

En sus cálculos matemáticos, el equipo descubrió que las líneas fijas podían predecir dónde se acumularían las partículas. Al dedicar tiempo a estudiar y modelar este fenómeno, esperan ayudar a los investigadores a desarrollar estrategias para mitigar el efecto de estas líneas armónicas fijas.

Este trabajo también podría ser útil para aquellos que construyen nuevos aceleradores de partículas, ayudándoles a evitar la creación de “fantasmas” magnéticos desde el principio, lo que podría ahorrar dinero al mantener los haces y los datos más intactos, y ofrecer resultados de mayor calidad con menos esfuerzo.

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