Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Physics, các nhà khoa học tại CERN ở Thụy Sĩ và Đại học Goethe Frankfurt ở Đức đã công bố việc họ đã tách biệt được một "hồn ma" cộng hưởng ảnh hưởng đến cách thức hành vi của các hạt bên trong máy gia tốc Super Proton Synchrotron (SPS). Đáng chú ý là, hồn ma này mang hình dạng 3D và có sự biến đổi theo thời gian, nghĩa là nó tốt nhất được đo lường trong không gian 4D. Bí mật của hiện tượng này chính là lý do tại sao chúng ta có thể làm đổ cà phê khi đi bộ trở lại bàn làm việc, hay bật nhảy bạn bè trên bạt nhảy.
SPS là một vòng tròn có chiều dài gần 6,4 km, đã tồn tại từ những năm 1970. Nghe có vẻ như một phần của lịch sử cổ xưa, nhưng SPS vẫn giữ vai trò quan trọng tại CERN. Năm 2019, nó đã được nâng cấp một “đường ray xả” cho phép điều chỉnh các chùm tia năng lượng cao bên trong SPS. Khi các nhà nghiên cứu phát hiện ra hồn ma trong hệ thống, họ nhận thấy rằng việc lập bản đồ và hiểu rõ hiện tượng này là rất cần thiết cho các nghiên cứu trong tương lai.
Hồn ma này được gây ra bởi hiện tượng cộng hưởng. Khi các vật thể có năng lượng và tạo ra sóng, những sóng này có thể tương tác với nhau và tạo ra những vị trí kỳ lạ nơi năng lượng được khuếch đại. Khi bạn đi bộ với một cốc cà phê, mỗi bước đi tạo ra sóng trong chất lỏng, cuối cùng dẫn đến việc cà phê có thể bị đổ. Trên bạt nhảy, một người nhảy "vào" cú nhảy của người khác và được cộng hưởng thành một cú nhảy cao hơn nhiều. Trong SPS, việc đổ cà phê cộng hưởng có nghĩa là mất đi những photon quan trọng, được gọi là sự suy giảm chùm tia.
Theo các nhà khoa học trong bài báo, “Trong vật lý gia tốc, việc hiểu rõ hiện tượng cộng hưởng và động lực học phi tuyến là rất quan trọng để tránh mất mát các hạt chùm.” Điều này trở nên phức tạp hơn khi vấn đề có nhiều bộ phận chuyển động và nhiều “bậc tự do.” Mỗi bộ phận chuyển động, bao gồm cả các kết nối, sản sinh ra những rung động riêng của nó.
Suy giảm chùm tia là một vấn đề lớn, đặc biệt khi các chùm proton ngày càng trở nên mạnh mẽ hơn. Các hàm số trong hệ thống phức tạp ảnh hưởng đến mọi thí nghiệm nơi các hạt tương tác trong một môi trường, chẳng hạn như nghiên cứu fusion hạt nhân trong các tokamak. Do đó, nhiễu động hàm số cũng gây ra vấn đề lớn trong việc đạt được fusion hạt nhân hiệu quả, tạo ra các điểm chết nơi dòng năng lượng có thể mất đi nhiệt năng quan trọng.
Trong SPS, các hạt chỉ có hai bậc tự do, điều này nghe có vẻ không quá phức tạp. Giống như những photon bên trong một sợi cáp quang, những photon SLS này di chuyển theo một con đường tổng thể. Nhưng chúng cũng có thể “nảy” trong con đường đó, bởi vì ngay cả một chùm hoặc cáp hẹp vẫn có độ dày. SPS không phải là một chiếc bánh donut dày, nhưng nó vẫn là một chiếc donut có thật, chứ không chỉ là một vòng tròn trong hình minh họa hình học.
Sự “nảy” này bị biến dạng bởi các yếu tố từ con người và thực tế. Dù SPS là một trong những cơ sở hàng đầu thế giới, nhưng mọi thứ trong khoa học đều phải được xây dựng dựa trên những gì mà chúng ta có. Các nam châm cung cấp năng lượng cho các cơ sở này không hoàn hảo, và ngay cả những dao động nhỏ trong từ trường cũng có thể gây ra hiện tượng cộng hưởng. Để định lượng điều này, các nhà nghiên cứu đã thực hiện việc đo từ xung quanh vòng SPS và sử dụng dữ liệu để xây dựng một mô hình toán học gọi là phần Poincaré.
Trong một phần Poincaré, bạn ổn định một yếu tố (trong trường hợp này là một “đường cố định” mà các nhà nghiên cứu nhắc đến trong bài báo) và bước qua một hệ thống, lập bản đồ tất cả các giao điểm của các yếu tố khác, cho đến khi bạn hình thành một “bề mặt” hoàn chỉnh. Kết quả như một bức MRI nhưng dành cho một hệ thống động, hình dạng của nó có thể thay đổi với từng bước - và trong trường hợp này, với sự bổ sung của thời gian như là chiều thứ tư. Và vì hiện tượng cộng hưởng trong một hệ thống khép kín như SPS cuối cùng sẽ lặp lại, nghiên cứu bề mặt 4D có thể quay như một GIF được làm tốt.
Trong những tính toán của mình, đội ngũ nghiên cứu đã tìm ra rằng những đường cố định có thể dự đoán nơi các hạt sẽ tập hợp. Bằng cách dành thời gian nghiên cứu và mô hình hóa hiện tượng này, họ hy vọng sẽ giúp các nhà nghiên cứu phát triển các chiến lược nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của những đường hàm số cố định này.
Công việc này cũng có thể hỗ trợ những người xây dựng các máy gia tốc mới trong việc tránh tạo ra “hồn ma” từ trường ngay từ đầu, điều này có thể tiết kiệm rất nhiều tiền bằng cách giữ cho chùm tia và dữ liệu được nguyên vẹn hơn, và cung cấp kết quả chất lượng cao hơn với ít công sức hơn.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/sc...st-haunting-most-famous-particle-accelerator/
SPS là một vòng tròn có chiều dài gần 6,4 km, đã tồn tại từ những năm 1970. Nghe có vẻ như một phần của lịch sử cổ xưa, nhưng SPS vẫn giữ vai trò quan trọng tại CERN. Năm 2019, nó đã được nâng cấp một “đường ray xả” cho phép điều chỉnh các chùm tia năng lượng cao bên trong SPS. Khi các nhà nghiên cứu phát hiện ra hồn ma trong hệ thống, họ nhận thấy rằng việc lập bản đồ và hiểu rõ hiện tượng này là rất cần thiết cho các nghiên cứu trong tương lai.
Hồn ma này được gây ra bởi hiện tượng cộng hưởng. Khi các vật thể có năng lượng và tạo ra sóng, những sóng này có thể tương tác với nhau và tạo ra những vị trí kỳ lạ nơi năng lượng được khuếch đại. Khi bạn đi bộ với một cốc cà phê, mỗi bước đi tạo ra sóng trong chất lỏng, cuối cùng dẫn đến việc cà phê có thể bị đổ. Trên bạt nhảy, một người nhảy "vào" cú nhảy của người khác và được cộng hưởng thành một cú nhảy cao hơn nhiều. Trong SPS, việc đổ cà phê cộng hưởng có nghĩa là mất đi những photon quan trọng, được gọi là sự suy giảm chùm tia.
Theo các nhà khoa học trong bài báo, “Trong vật lý gia tốc, việc hiểu rõ hiện tượng cộng hưởng và động lực học phi tuyến là rất quan trọng để tránh mất mát các hạt chùm.” Điều này trở nên phức tạp hơn khi vấn đề có nhiều bộ phận chuyển động và nhiều “bậc tự do.” Mỗi bộ phận chuyển động, bao gồm cả các kết nối, sản sinh ra những rung động riêng của nó.
Suy giảm chùm tia là một vấn đề lớn, đặc biệt khi các chùm proton ngày càng trở nên mạnh mẽ hơn. Các hàm số trong hệ thống phức tạp ảnh hưởng đến mọi thí nghiệm nơi các hạt tương tác trong một môi trường, chẳng hạn như nghiên cứu fusion hạt nhân trong các tokamak. Do đó, nhiễu động hàm số cũng gây ra vấn đề lớn trong việc đạt được fusion hạt nhân hiệu quả, tạo ra các điểm chết nơi dòng năng lượng có thể mất đi nhiệt năng quan trọng.
Trong SPS, các hạt chỉ có hai bậc tự do, điều này nghe có vẻ không quá phức tạp. Giống như những photon bên trong một sợi cáp quang, những photon SLS này di chuyển theo một con đường tổng thể. Nhưng chúng cũng có thể “nảy” trong con đường đó, bởi vì ngay cả một chùm hoặc cáp hẹp vẫn có độ dày. SPS không phải là một chiếc bánh donut dày, nhưng nó vẫn là một chiếc donut có thật, chứ không chỉ là một vòng tròn trong hình minh họa hình học.
Sự “nảy” này bị biến dạng bởi các yếu tố từ con người và thực tế. Dù SPS là một trong những cơ sở hàng đầu thế giới, nhưng mọi thứ trong khoa học đều phải được xây dựng dựa trên những gì mà chúng ta có. Các nam châm cung cấp năng lượng cho các cơ sở này không hoàn hảo, và ngay cả những dao động nhỏ trong từ trường cũng có thể gây ra hiện tượng cộng hưởng. Để định lượng điều này, các nhà nghiên cứu đã thực hiện việc đo từ xung quanh vòng SPS và sử dụng dữ liệu để xây dựng một mô hình toán học gọi là phần Poincaré.
Trong một phần Poincaré, bạn ổn định một yếu tố (trong trường hợp này là một “đường cố định” mà các nhà nghiên cứu nhắc đến trong bài báo) và bước qua một hệ thống, lập bản đồ tất cả các giao điểm của các yếu tố khác, cho đến khi bạn hình thành một “bề mặt” hoàn chỉnh. Kết quả như một bức MRI nhưng dành cho một hệ thống động, hình dạng của nó có thể thay đổi với từng bước - và trong trường hợp này, với sự bổ sung của thời gian như là chiều thứ tư. Và vì hiện tượng cộng hưởng trong một hệ thống khép kín như SPS cuối cùng sẽ lặp lại, nghiên cứu bề mặt 4D có thể quay như một GIF được làm tốt.
Trong những tính toán của mình, đội ngũ nghiên cứu đã tìm ra rằng những đường cố định có thể dự đoán nơi các hạt sẽ tập hợp. Bằng cách dành thời gian nghiên cứu và mô hình hóa hiện tượng này, họ hy vọng sẽ giúp các nhà nghiên cứu phát triển các chiến lược nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của những đường hàm số cố định này.
Công việc này cũng có thể hỗ trợ những người xây dựng các máy gia tốc mới trong việc tránh tạo ra “hồn ma” từ trường ngay từ đầu, điều này có thể tiết kiệm rất nhiều tiền bằng cách giữ cho chùm tia và dữ liệu được nguyên vẹn hơn, và cung cấp kết quả chất lượng cao hơn với ít công sức hơn.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/sc...st-haunting-most-famous-particle-accelerator/
