在欧洲核子研究中心的粒子加速器的隧道里，有一个幽灵在游荡。

在超级质子同步加速器中，物理学家终于测量并量化了一种看不见的结构，这种结构可以改变其中粒子的运动方向，并为粒子研究带来问题。

它被描述为发生在相空间中，它可以代表一个运动系统的一个或多个状态。由于需要四种状态来表示结构，因此研究人员将其视为四维的（4D）。

这种结构是一种被称为共振的现象的结果，能够量化和测量它使我们离解决磁性粒子加速器普遍存在的问题又近了一步。

德国GSI的物理学家朱利亚诺·弗兰切蒂（Giuliano Franchetti）说：“有了这些共振，粒子就不会完全按照我们想要的路径飞行，然后就会消失。这会导致光束退化，难以达到所需的光束参数。”

当两个系统相互作用并同步时，就会发生共振。这可能是行星轨道在绕恒星运行时产生的共振，也可能是当另一个音叉的声波到达它的时间时，一个音叉开始发出共鸣的声音。

粒子加速器利用强大的磁铁产生电磁场来引导和加速粒子束到物理学家想要它们去的地方。由于磁体的缺陷，加速器中可能会发生共振，从而产生与粒子相互作用的磁性结构。

一个动态系统表现出的自由度越多，用数学方法来描述它就越复杂。通过粒子加速器运动的粒子通常只用两个自由度来描述，这反映了在平面网格上定义一个点所需的两个坐标。

要描述其中的结构，需要在相空间中使用除了上下、左右维度之外的附加特征来映射它们；也就是说，需要四个参数来映射空间中的每个点。

研究人员说，这很容易“逃避我们的几何直觉”。

“在加速器物理学中，思考通常只在一个平面上，”朱利亚诺·弗兰切蒂说。然而，为了绘制共振图，粒子束需要在水平和垂直平面上进行测量。

这听起来很简单，但如果你习惯于以特定的方式思考某件事，那么可能需要努力跳出框框思考。了解共振对粒子束的影响花了好几年时间，还进行了大量的计算机模拟。

然而，这些信息为朱利亚诺·弗兰切蒂以及欧洲核子研究中心的物理学家汉尼斯·巴托西克（Hannes Bartosik）和弗兰克·施密特（Frank Schmidt）最终测量磁异常打开了道路。

利用超级质子同步加速器上的光束位置监测器，他们测量了大约3000束粒子的位置。通过仔细测量粒子的中心位置或向一侧倾斜的位置，他们能够绘制出萦绕在加速器上的共振图。

“我们最近的发现之所以如此特别，是因为它显示了单个粒子在耦合共振中的行为，”汉尼斯·巴托西克说。“我们可以证明，实验结果与基于理论和模拟的预测一致。”

下一步是发展一种理论，描述单个粒子在加速器共振存在下的行为。研究人员说，这将最终为他们提供一种减轻光束退化的新方法，并实现正在进行和未来粒子加速实验所需的高保真光束。

该团队的研究发表在《自然物理学》杂志上。

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