Credits: EDWARD KINSMAN / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Un inaspettato collegamento matematico tra un particolare tipo di movimento meccanico e il comportamento della luce è stato scoperto da tre fisici della Riken. Questo strano collegamento potrebbe aiutare i fisici a progettare futuri acceleratori di particelle e a studiare i gas ionizzati caldi noti come plasmi.

Hitoshi Tanaka e i suoi colleghi del RIKEN SPring-8 Center hanno fatto la scoperta per caso. Stavano progettando una sorgente di radiazione di sincrotrone di nuova generazione in cui i fasci di elettroni viaggiavano intorno a un grande circuito circolare emettendo raggi X. Le cavità di accelerazione spingono periodicamente i fasci per mantenerli ad un’energia costante.

Il team ha voluto trovare un modo per assorbire in modo sicuro ed efficiente l’energia del fascio con fasci in espansione spaziale. “Abbiamo un fascio appuntito e ad alta intensità che può fondere una camera a vuoto in acciaio“, dice Tanaka.

Il team ha elaborato un modello matematico degli elettroni che circolano nella sorgente di radiazione di sincrotrone. Una parte centrale del modello costruito equivale a un oscillatore armonico forzato, con una frequenza naturale di oscillazione che varia lentamente. Un semplice esempio di oscillatore armonico forzato è un bambino su un’altalena che viene spinto da un genitore al momento giusto per aumentarne l’ampiezza. Nel caso di Tanaka, l’elettrodo fornisce questa forza motrice, facendo vibrare leggermente gli elettroni durante il viaggio.

Figura 1: Il movimento meccanico di un oscillatore armonico forzato mostra una strana somiglianza con il modello di interferenza (mostrato qui) creato quando la luce passa attraverso una stretta fessura. Credits:  EDWARD KINSMAN / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Il team ha risolto l’equazione per trovare la frequenza ottimale necessaria ad aumentare l’ampiezza di oscillazione degli elettroni per la diffusione dei fasci di elettroni. Sorprendentemente, la soluzione sembrava simile a quella che descriveva un sistema totalmente diverso: il modo in cui le onde luminose interferiscono quando un fascio di luce passa attraverso una stretta fessura. Quando uno schermo è posizionato lontano dalla fenditura, sullo schermo appare uno schema di strisce luminose e scure (Fig. 1). Le parti luminose corrispondono a regioni in cui i picchi delle onde luminose si combinano costruttivamente, mentre le strisce scure sono aree in cui i picchi di alcune onde si combinano con le depressioni di altre, annullandosi a vicenda.

All’inizio non capivamo perché vedevamo questo, perché il nostro sistema era meccanico, non ottico“, ha detto Tanaka.

Il team ha poi calcolato che anche un semplice oscillatore armonico forzato con una frequenza che varia lentamente si comporta in modo analogo alla luce. Quando la forza motrice viene applicata con la giusta frequenza, il sistema risuona e l’ampiezza dell’oscillazione aumenta, proprio come quando due onde luminose interferiscono costruttivamente.

Gli oscillatori armonici sono importanti in molti tipi di fisica, come la fisica del plasma e la fisica degli acceleratori“, dice Tanaka, che spera che i risultati siano utili in questi e altri campi.

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