Des chercheurs du CERN identifient la structure invisible qui perturbe leurs recherches

Dans les profondeurs du Super Proton Synchrotron du CERN, une équipe de physiciens a réussi à détecter et à caractériser une entité auparavant insaisissable, surnommée « fantôme », qui a le potentiel d’influencer le chemin des particules au sein de l’accélérateur et de poser des défis significatifs pour la recherche en physique des particules. Ce phénomène, qui existe dans un domaine connu sous le nom d’espace des phases, nécessite quatre variables pour être pleinement décrit, d’où sa classification comme quadridimensionnel. Les résultats de cette étude ont été publiés dans la revue Nature Physics.

Le fantôme dans la machine

La découverte de cette structure est attribuée à l’interaction des résonances, un processus où deux systèmes oscillent en synchronisation, affectant ainsi le parcours prévu des particules, entraînant leur dispersion et compromettant la qualité du faisceau de particules. 

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Giuliano Franchetti, un physicien de GSI en Allemagne, explique que ces résonances peuvent causer des déviations dans le trajet souhaité des particules, résultant en leur perte et en la détérioration du faisceau. Cette interaction est similaire à d’autres phénomènes de résonance observés dans la nature, comme les interactions gravitationnelles entre les orbites planétaires.

Dans l’environnement hautement contrôlé des accélérateurs de particules, où des faisceaux de particules sont guidés et accélérés par des champs magnétiques générés par des aimants puissants, la résonance peut avoir des effets indésirables. Les imperfections dans les aimants peuvent induire des structures magnétiques non désirées, perturbant ainsi la trajectoire des particules et compromettant la stabilité du faisceau.

Une approche quadridimensionnelle

La complexité mathématique pour décrire ces interactions augmente avec le nombre de degrés de liberté dans un système. Les deux coordonnées nécessaires pour désigner un emplacement sur une grille plane se reflètent généralement dans les deux degrés de liberté utilisés pour caractériser les particules se déplaçant dans un accélérateur de particules. Pour caractériser les structures, il faut les cartographier en utilisant des caractéristiques de l’espace de phase autres que les dimensions gauche-droite et haut-bas ; autrement dit, chaque point de l’espace doit être cartographié à l’aide de quatre dimensions.

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Franchetti souligne que, bien que l’approche habituelle pour étudier les phénomènes dans les accélérateurs se fasse souvent dans un plan unique, la nécessité de considérer simultanément les plans horizontal et vertical pour cartographier une résonance marque un défi conceptuel important.

Les chercheurs pensent que cela pourrait facilement « échapper à l’intuition géométrique ». Selon G. Franchetti, « la réflexion se fait souvent dans un seul plan en physique des accélérateurs ». Néanmoins, le faisceau de particules doit être contrôlé à la fois dans les plans horizontal et vertical afin de cartographier une résonance.

Des solutions innovantes

Après plusieurs années d’analyses et de simulations informatiques intensives, les chercheurs, y compris Hannes Bartosik et Frank Schmidt du CERN, ont pu mesurer cette anomalie magnétique. En surveillant la position des particules à travers environ 3 000 faisceaux différents avec des moniteurs de position des faisceaux, ils ont réussi à cartographier la résonance qui affectait le Super Proton Synchrotron. Cette cartographie précise a permis de confirmer les prédictions théoriques et de valider les modèles de simulation.

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Cette découverte ouvre la voie à l’élaboration d’une théorie qui décrirait le comportement des particules face à une résonance d’accélérateur, offrant potentiellement des stratégies pour minimiser la dégradation du faisceau et améliorer la qualité des faisceaux pour les recherches futures. Par ailleurs, pourquoi des physiciens ont-ils mis un furet dans un accélérateur de particules en 1971 ?