В специальном выпуске журнала Chaos от AIP Publishing физик Европейской организации ядерных исследований (CERN) подробно описывает важный метод обнаружения и исправления нежелательного хаотического поведения в коллайдерах частиц. Этот метод помогает физикам-ускорителям разрабатывать высокопроизводительные и экономичные ускорители в эпоху ограниченных научных бюджетов.
Целью основного выпуска является всесторонний обзор теории и реализации существующих методов обнаружения и предсказания хаоса, а также сообщение о недавнем применении этих методов в различных областях науки. «Фокусируемый выпуск: методы обнаружения хаоса и предсказуемость» – это сборник из 12 статей, представляющих широкий спектр приложений, охватывающих математику, физику, астрономию, физику ускорителей частиц, метеорологию и медицинские исследования.
Хаос уже давно сбивает с толку физиков, пытающихся описать точные движения взаимодействующих объектов. Французский математик Анри Пуанкаре открыл суть явления в конце 1800-х годов, когда попытался (безуспешно) точно предсказать движение планет Солнечной системы.
Такое же хаотическое поведение проявляется в толпе частиц, движущихся внутри ускорителей, таких как Большой адронный коллайдер ЦЕРН.
В этих машинах мощные электрические и магнитные поля ускоряют и направляют лучи, содержащие триллионы частиц. В идеале все частицы должны двигаться по упорядоченным орбитам вокруг колец, в которые они вводятся.
Но на самом деле некоторые частицы распространяются вокруг центра кольца, где они могут стать хаотическими из-за их взаимного взаимодействия и дефектов в магнитных полях, которые их направляют. Частицы, которые выбрасываются со стабильной орбиты, могут врезаться в сверххолодные сверхпроводящие магниты коллайдера.
Если это происходит слишком часто, магниты нагреваются, и пучки частиц должны останавливаться, что ставит под угрозу эксперименты и вызывает дорогостоящие задержки.
Из своей предыдущей работы в астрономии Яннис Папафилиппоу, физик из ЦЕРНа, знал о методе, называемом «анализ частотной карты», который связывает частоты, с которыми объекты колеблются, с их хаотическим поведением.
В течение более чем десяти лет Папафилиппу и его коллеги применяли этот метод для визуализации тех же частот при моделировании пучков частиц в ускорителях. Используя такое моделирование, физики могут проектировать коллайдеры, чтобы избежать хаотических взаимодействий пучков и удерживать частицы в нужном направлении.
Метод уже принес свои плоды.
Моделируя степень, в которой крошечные дефекты в сверхпроводящих магнитах LHC заставляют протоны, движущиеся в кольцах коллайдера, вести себя хаотично, Папафилиппу и его коллеги помогли разработчикам магнитов спроектировать и изготовить эти магниты в строгих пределах допусков. Исследователи также показали, что необходимо вдвое меньше корректирующих магнитов, чем предполагалось изначально.
Эти открытия существенно снизили стоимость коллайдера и, наряду со многими другими усилиями, помогли упростить поиск бозона Хиггса, сказал Папафилиппу. "Все большие открытия, которые мы сделали на LHCбыло бы затруднено, если бы не было очень детального проектирования и оценки нелинейных эффектов и их коррекции.«Анализ частотной карты также помог ученым оптимизировать источник нейтронов расщепления в Ок-Ридже, штат Теннеси. В результате этой оптимизации машина в прошлом году установила мировой рекорд по мощности.
Папафилиппоу предсказывает, что по мере того, как физики разрабатывают новые ускорители, они будут использовать анализ частотной карты для достижения высокой производительности при разумных затратах. Группа по приоритизации проекта физики элементарных частиц (P5), которая консультирует U.S.
Правительство определило стоимость коллайдера как серьезную проблему в недавнем отчете о будущем физики элементарных частиц.
«Изучение этих [хаотических] эффектов с нуля может быть очень рентабельным способом создания и проектирования этих ускорителей», – сказал Папафилиппу.