Em uma nova pesquisa cientistas do CERN, na Suíça, e da Universidade Goethe de Frankfurt, na Alemanha, revelaram ter isolado um “fantasma” ressonante que afeta o comportamento das partículas dentro do Super Proton Synchotron (SPS). Trata-se de uma forma tridimensional que se modifica ao longo do tempo, o que significa que é melhor medida em 4D. E o segredo está na mesma razão pela qual você derrama seu café ao voltar para sua mesa, ou faz seus amigos quicarem no trampolim.
O SPS é um anel com aproximadamente 6.5 km de circunferência, feito nos anos 1970. Embora possa parecer antiga, o SPS continua sendo vital no CERN. Em 2019, recebeu uma “descarga de feixe” atualizada, que funciona como uma rampa de fuga para feixes de alta potência dentro do SPS. Assim, quando os pesquisadores notaram a presença de um “fantasma” na máquina, por assim dizer, entenderam que era importante mapeá-la e compreendê-la para trabalhos futuros.
O “fantasma” é causada pela ressonância. Quando as coisas têm energia e geram ondas, essas ondas podem interagir umas com as outras e criar pequenos locais estranhos onde a energia é amplificada. Ao caminhar com café, cada passo cria ondas no líquido que eventualmente se encontram e transbordam. No trampolim, uma pessoa pula “dentro” do salto de outra pessoa e é impulsionada para um salto muito mais alto. E no SPS, derramar seu café harmônico significa perder fótons essenciais no que é conhecido como degradação do feixe.
“Na física de aceleradores, uma compreensão de ressonâncias e dinâmica não linear é crucial para evitar a perda de partículas do feixe,” explicam os cientistas no artigo. E a complexidade aumenta conforme o problema em questão ganha mais peças móveis e mais “graus de liberdade”. Cada parte móvel, incluindo os conectores, gera suas próprias vibrações.
A degradação do feixe é um grande problema, especialmente à medida que os feixes de prótons em questão se tornam cada vez mais energizados e robustos. E os harmônicos em sistemas complexos afetam qualquer experimento onde as partículas interagem dentro de um recipiente—como a pesquisa de fusão nuclear em tokamaks. A interferência harmônica, portanto, também é um grande problema ao tentar alcançar uma fusão nuclear produtiva, criando pontos mortos onde o fluxo de energia pode perder calor vital.
Dentro do SPS, as partículas têm apenas dois graus de liberdade, o que não parece tão complexo. Como os fótons dentro de uma linha de fibra ótica, esses fótons SLS estão viajando em um caminho geral. Mas também podem “quicar” dentro desse caminho, porque mesmo um feixe ou cabo estreito ainda tem espessura.
E esse “quique” é distorcido por causa dos fatores humanos e da realidade. O SPS pode ser uma das instalações de ponta do mundo, mas tudo na ciência precisa ser feito com o que temos. Ímãs que alimentam essas instalações são imperfeitos, e até pequenas flutuações no magnetismo podem causar ressonância. Para quantificar isso, os pesquisadores fizeram medições ao redor do anel do SPS e usaram os dados para construir um modelo matemático chamado seção de Poincaré.
Em uma seção de Poincaré, você estabiliza um elemento (neste caso, uma “linha fixa” mencionada pelos pesquisadores em seu artigo) e percorre um sistema, mapeando todas as interseções dos outros elementos, até formar uma “superfície” inteira. Os resultados são como uma ressonância magnética, mas para um sistema dinâmico, cuja forma pode mudar a cada passo—e, neste caso, com a adição do tempo como a quarta dimensão. E como a ressonância em um sistema fechado como o SPS acaba se repetindo, o estudo de superfície 4D pode se repetir como um GIF bem feito.
Com uso da matemática, a equipe descobriu que as linhas fixas poderiam prever onde as partículas se reuniriam. Ao dedicar tempo para estudar e modelar o fenômeno, eles esperam ajudar os pesquisadores que desenvolvem estratégias para diminuir o efeito dessas linhas harmônicas fixas. O trabalho também poderia auxiliar aqueles que constroem novos aceleradores de partículas a evitar a criação de “fantasmas” magnéticos desde o início, o que poderia economizar muito dinheiro mantendo os feixes e os dados mais intactos e entregando resultados de maior qualidade com menos esforço.
