Une méthode pour mesurer directement la force de l’atténuation de Landau


Une méthode pour mesurer directement la force de l'atténuation de Landau

Dans un accélérateur de particules, des faisceaux de particules élémentaires gravitent autour d’ soigneusement conçue. Puisqu’ils ont une charge électrique, ils interagissent entre eux et avec leur environnement, ce qui conduit à de petites oscillations autour de l’orbite de référence (semblable à un pendule). Si l’interaction est trop forte, l’amplitude de ces oscillations augmente avec le temps et éloigne la particule de l’orbite. Les chercheurs caractérisent ce mouvement en fonction de sa fréquence ou de sa mélodie et de son taux de croissance. L’amortissement Landau aide à rendre la zone de mouvement des particules qui serait autrement instable, stable. Dans leur expérience, les chercheurs ont utilisé le feedback pour atteindre la limite de cette stable. Crédit photo: Antipov et al.

L’amortissement de Landau, un initialement prévu par Lev Landau en 1946, est essentiel pour assurer la stabilité collective du faisceau dans les accélérateurs de particules. En mesurant avec précision la force de l’amortissement de Landau, les physiciens peuvent prédire la stabilité des rayons dans les collisionneurs à haute énergie.

Des chercheurs de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) ont récemment introduit une méthode pour la force de l’atténuation de Landau et les limites de stabilité du faisceau pour les collisionneurs à haute énergie. Cette procédure est mise en œuvre dans un Lettres d’examen physiqueest basé sur l’utilisation d’une rétroaction croisée active comme source contrôlable de l’impédance de couplage de faisceau.

«L’atténuation de Landau est un phénomène fascinant dans les plasmas», a déclaré Sergey Antipov, l’un des chercheurs qui ont mené l’étude, à Phys.org. « Il s’agit d’une suppression des perturbations externes du système dynamique par le 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, par lequel l’excitation est atténuée et une sorte d’ordre émerge de le chaos. »

Landaus a initialement prédit l’atténuation en analysant 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 lorsque le plasma lui-même n’a pas de frottement (c’est-à-dire pas d’énergie de dissipation).

«À l’époque, cette conclusion peu intuitive était très controversée jusqu’à ce qu’elle soit finalement observée 20 ans après votre hypothèse», a déclaré Antipov. « Ce n’est qu’en 2009 que les mathématiciens Mouhot et Villani ont finalement résolu l’équation et créé une base mathématique solide pour l’amortissement Landau, pour lequel ils ont remporté le prix Fields. »

Le mouvement des particules dans les accélérateurs de particules tels que le grand collisionneur de hadrons (LHC) suit également les règles de l’équation de Vlasov. En conséquence, l’amortissement de Landau existe également dans les faisceaux de particules au sein de ces accélérateurs.

Les physiciens comptent sur l’amortissement Landau pour supprimer les mouvements indésirables qui peuvent résulter de l’interaction d’un faisceau de particules avec son environnement par le biais de champs de sillage électromagnétiques induits. Auparavant, les chercheurs ne pouvaient estimer la force de l’atténuation de Landau dans un faisceau de particules qu’en utilisant un certain nombre de modèles simples, car il n’y avait aucun moyen de mesurer sa force.

«Un jour, mes collègues et moi étions assis à une table à manger après un atelier de physique à Evian, en France, alors qu’il y avait encore des ateliers en direct», a expliqué Antipov. «Après quelques verres et de la bonne nourriture, la conversation est passée des questions opérationnelles, le sujet de l’atelier, à des choses plus amusantes que nous pourrions faire avec le collisionneur du LHC. Ensuite, j’ai suggéré de mesurer l’atténuation de Landau. pourrait être en mesure de le faire, et le responsable, Daniel, était assis juste en face de moi. « 

L’idée générale derrière la méthode développée par Antipov et ses collègues était d’utiliser un système de rétroaction transversale pour émuler la force collective agissant sur un faisceau de particules. En règle générale, cette rétroaction mesure l’orbite du faisceau. Si l’orbite s’écarte de la conception souhaitée, le faisceau peut être « déplacé » dans la bonne direction.

« Nous avons mis en place le système de rétroaction transversale de sorte que son gain et son retard de phase varient avec l’amplitude du mouvement du faisceau, tout comme le ferait la puissance d’auto-réveil du faisceau », a déclaré Antipov. «Ce réglage nous a permis de créer une instabilité collective dans la poutre, mais en même temps de garder le contrôle.» Ensuite, nous avons simplement varié la force de déstabilisation jusqu’à ce que nous voyions Landau surmonter l’amortissement et stabiliser la poutre – puis les deux effets, l’instabilité et l’amortissement est le même – et ainsi vous connaissez la force de l’amortissement Landau dans la poutre. « 

Antipov et ses collègues ont évalué la procédure qu’ils avaient développée lors d’un test de validation de principe effectué au LHC. Leurs résultats soulignent le potentiel de leur méthode et suggèrent qu’elle pourrait être utilisée pour prédire avec précision la stabilité du faisceau dans les collisionneurs à haute énergie de pointe.

«Le LHC est une machine unique qui peut être utilisée pour mener des études sur ses capacités, mais cela a un coût», a déclaré Antipov. «Parce que la machine est si chère et fragile, tout devrait fonctionner sans essais et erreurs dès le premier essai, et l’échec n’est pas une option. Nous avons donc réuni un petit groupe d’experts et commencé à préparer le plan. Cela a pris du temps. Pour améliorer la rétroaction, examinez différents scénarios et trouvez les bons paramètres là où nous sommes les plus susceptibles d’obtenir une mesure nette. Puis un samedi soir, nous sommes simplement allés à la salle de contrôle, nous y sommes restés toute la nuit et l’avons fait. « 

Le test de validation de principe réalisé par cette équipe de recherche montre qu’une mesure directe de la force d’atténuation de Landau est possible. De plus, Antipov et ses collègues ont identifié les conditions nécessaires à l’acquisition d’une telle mesure.

Ainsi, à l’avenir, leur travail pourrait servir de recette que d’autres équipes pourront suivre pour quantifier avec précision la force de l’amortissement Landau. En attendant, l’équipe de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire envisage de tester le procédé sur d’autres machines et collisionneurs au CERN en Suisse et chez GSI en Allemagne.

« L’application la plus intéressante de notre méthode semble être dans les accélérateurs de haute intensité et de faible énergie, où de fortes forces de Coulomb affectent considérablement le comportement collectif des particules dans un faisceau », a déclaré Antipov. «Ici, l’amortissement Landau doit jouer un rôle crucial dans la stabilisation des faisceaux de particules. Cependant, il n’existe actuellement aucun modèle théorique solide. Par conséquent, les scientifiques des accélérateurs doivent s’appuyer sur des simulations numériques sophistiquées. Espérons qu’une méthode expérimentale aidera à faire la lumière sur le problème.  »


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Plus d’information:
En principe, mesure directe de la force d’atténuation de Landau au grand collisionneur de hadrons avec un antidamper. Lettres d’examen physique(2021). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.164801.

© Réseau Science X 2021

Citation: Une méthode pour mesurer directement la force de l’amortissement Landau (2021, 18 mai), consulté le 18 mai 2021 sur https://phys.org/news/2021-05-procedure-strength-landau-damping.html

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