如何让加速器中的高能粒子更“乖”？[2P]

lshen321

当包含上万亿颗粒子的光束以近光速的速度被压缩时，其中一定会产生某些混乱。在粒子对撞器机限制这种混乱对于获得预想的突破性结果至关重要。在美国物理联合会期刊《混乱》里的一辑特刊里，欧洲核子研究中心(简称CERN)的一名物理学家细节描述了一种检测和纠正在粒子对撞机里不想要的混乱行为的重要方法。这种方法帮助了研究加速器的物理学家在科研预算紧张的时代设计高性能、有成本效益的加速器。

纠正大型强子对撞机里超导磁体微小缺陷的新方法对于发现希格斯玻色子至关重要。

这一特刊的目标在于全面综合的审阅混沌检测和预测的现有方法及应用，同时也报告这些方法近期在不同科研领域的应用。这辑名为《混沌检测方法和可预测性》的特刊包含了12篇代表一系列应用的文章，从数学、物理、天文学到粒子加速物理学、气象学和医学研究不等。

混沌一直都让试图描述相互作用物体之间精确运动的物理学家们痛苦不已。法国数学家昂利·彭加莱(Henri Poincaré)在19世纪晚期发现了这一现象的精髓，当时他正试图精确的预测太阳系内行星的运动（未果）。相同的混沌行为也发生在类似CERN大型强子对撞机的加速器内的粒子上。在这些机器内部，强大的电场和磁场加速并引导了包含上万亿颗粒子的光束。理想情况下，所有的粒子都将在它们被喷射到的围绕着环的有序轨道上运行。但现实情况是，有些粒子会从环的中心展开，由于彼此之间的相互作用以及引导它们的磁场的缺陷，它们可能会变得混乱。被踢出稳定轨道的粒子可能会撞击对撞机里超冷的超导磁体。如果这一现象发生的过于频繁，那么磁铁会加热，粒子束不得不停止，这会影响实验的正常进行，产生的延迟也会导致成本上升。

基于之前进行的天文学研究，CERN的物理学家杨尼斯·帕帕菲利浦（ Yannis Papaphilippou）知道了一种名为频率图分析的方法，它能够将物体振荡的频率与它们的混沌行为相联系。在过去的10多年间，帕帕菲利浦和他的同事应用这一方法对加速器里相同频率离子束进行了模拟。利用这类模拟，物理学家设计的对撞机可以避免混沌光束相互作用，并保持粒子走上正轨。

这一方法已经奏效。通过模拟大型强子对撞机超导磁体的微小缺陷将如何导致质子在碰撞器的环内的混乱行为，帕帕菲利浦和他的同事帮助磁铁建造者设计并生产了处于严格公差范围以内的磁铁。研究人员显示真正需要的被纠正的磁铁数量只是预先设想的一半。

这项发现将极大的降低对撞机的花费，结合其它的工作，它还可以帮助希格斯玻色子（ Higgs boson）的搜寻工作合理和简单化。“如果没有细节的设计和对非线性效应和修正的评估，我们在大型强子对撞机里的所有重大发现都将受到阻碍。”频率图分析还帮助科学家们最优化美国田纳西州橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的散裂中子源（ spallation neutron source ）。而这一最优化的结果是这一机器在去年打破了能量传输功率的记录。

随着物理学家设计新的加速器，帕帕菲利浦预测他们将使用频率图分析以通过合理的花费获得较高的性能。为美国政府提供咨询服务的粒子物理学项目优先次序陪审小组（P5）认为对撞机花费是近期有关粒子物理学未来的报告里的一大主要担忧。“从头开始研究这些（混沌）效应或可能是建造和设计这些加速器的一种非常经济的方式。”