Cerdanyola del Vallès, 10 d'octubre 2018.

Una bona estimació (amb una precisió del 0,1%) de l’energia del feix a l’anell d’emmagatzematge s’obté a partir del camp magnètic dels imants dipolars fent servir la coneguda Força de Lorentz. Per tal de millorar aquesta mesura, des de fa uns anys a l’ALBA s’ha implementat una tècnica més precisa anomenada Despolarització Ressonant de l’Espín, que dóna una precisió al voltant del 0,001%.

L’espín és una propietat elemental de les partícules relacionada amb el seu moment angular. L’espín dels electrons només pot tenir dues orientacions i, quan la majoria dels electrons del feix  té una direcció dominant, diem que el feix està polaritzat. La tècnica de la Despolarització Ressonant de l’Espín aprofita la polarització natural del feix d’electrons, i posteriorment provoca i detecta la seva sobtada despolarització, que depèn de l’energia de la partícula.

Els electrons que orbiten per l’anell d’emmagatzematge emeten llum de sincrotró quan passen a través dels imants dipolars. Una petita fracció d’aquesta radiació produeix un canvi d’orientació en l’espín de l’electró, però la reorientació que condueix a un estat d’energia magnètica menor és lleugerament més favorable. En el cas dels electrons, l’espín que apunta contra la direcció principal del camp del dipol és el més probable. Per tant, fins i tot si un feix acabat d’injectar a l’anell d’emmagatzematge comença amb una polarització del 50% (meitat dels espins dels electrons del feix assenyalen cap a una direcció i l’altra meitat apunten en la direcció oposada), per probabilitat al cap d’un cert temps els electrons del feix començaran a orientar-se lentament cap a la direcció més favorable. En l’estat d’equilibri, el feix d’electrons de l’ALBA pot arribar a una polarització al voltant del 92,38% (és a dir, el 92,38% dels espins dels electrons tenen la mateixa direcció).

La polarització del feix té un impacte directe en el seu temps de vida, que marca el ritme al qual els electrons del feix es van perdent de manera natural. Els electrons amb la mateixa direcció d’espín tenen una secció eficaç lleugerament més petita. Això significa que hi ha una probabilitat menor de xocar els uns amb els altres i en conseqüència, una probabilitat menor de perdre’s. En resum, el temps de vida del feix és major en un feix d’electrons polaritzat. Aquest efecte es pot veure en la Fig.1, que mostra l’evolució del temps de vida d’un feix de partícules acabat d’injectar. En la següent hora, a mesura que el feix circula lliurement per l’anell d’emmagatzematge de l’ALBA, els electrons comencen a alinear-se en la mateixa direcció (contra la direcció principal del camp del dipol), i el temps de vida del feix incrementa en un 7%.

Figura 1. El producte de temps de vida augmenta just després d'una injecció de 100 mA a l'anell d'emmagatzematge com a conseqüència de la polarització del feix d'electrons.

Mentre que la polarització del feix es produeix de forma natural i en una escala de temps d’una hora aproximadament, la despolarització pot ser externament induïda excitant els electrons amb un camp electromagnètic a la freqüència adequada. En aquest moment, les partícules del feix es despolaritzaran ressonantment en pocs segons i com a resultat d’això, el temps de vida del feix decreixerà sobtadament. Un exemple d’aquest procés es mostra a la Fig.2, on s’aprecia el producte del temps de vida mentre l’excitació vertical va des de 7,541 a 7,538 MHz. En aquest cas, la freqüència de despolarització es troba a 7,53957 MHz, quan el temps de vida es redueix de nou en un 7%.

La freqüència de despolarització és directament proporcional a l’energia del feix: f_dep=a·γ·f_rev, on “a” és el moment magnètic anòmal, “f_rev” és la freqüència de la revolució del feix, i “γ=E/mc²” el factor de Lorentz (sent “m” la massa de l’electró i “c” la velocitat de la llum). Com que aquests paràmetres són tots coneguts acuradament, l’energia del feix és inferida amb molt bona precisió. Pel cas de la Fig.2, l’energia del feix és E=2,97891 ±0.00001 GeV, on les barres d’error es donen pels marges del salt mostrat en el gràfic.

Figura 2. Escaneig de la freqüència d’excitació electromagnètica del feix d’electrons buscant la freqüència de despolarització. L'energia equivalent es mostra a l'eix superior horitzontal.

Podem dir doncs que l’energia del feix de l’ALBA és 2,97891 GeV? Bé… no sempre. La Divisió d’Acceleradors ha estat duent a terme mesures precises de l’energia durant els darrers 3 anys. La Fig.3 mostra que l’energia del feix és de mitjana 2,9789 i té petits salts de fins a +/- 0,5 MeV (és a dir 0,015%). Això es pot relacionar amb els petits canvis produïts en l'òrbita del feix entre les mesures realitzades en diferents moments. Malauradament, encara no s’ha trobat una explicació precisa per aquest fenomen. Per tant, si un vol ser realment precís (o primmirat?) respecte l'energia del feix d'electrons de l’ALBA, cal dir que "ALBA és una font de llum de sincrotró, l'energia de la qual és de 2,979 GeV i varia amb el temps dins d'un interval de +/- 0,5 MeV...". Certament, formes més curtes i aproximacions d'aquesta frase són, per suposat, vàlides.

Figura 3. Mesures de l'energia a l'anell d'emmagatzematge de l’ALBA des del 2015 mitjançant la tècnica de Despolarització Ressonant d’Espín.