Cerdanyola del Vallès, 10 de octubre 2018.

Una buena estimación (con una precisión del 0,1%) de la energía del haz en el anillo de almacenamiento se obtiene a partir del campo magnético de los imanes dipolares con  la conocida Fuerza de Lorentz. Para mejorar esta medida, desde hace unos años en ALBA se ha implementado una técnica más precisa denominada Despolarización Resonante del Espín, que da una precisión de alrededor del 0,001%. 

El espín es una propiedad elemental de las partículas relacionada con su momento angular. El espín de los electrones solamente puede tener dos orientaciones y, cuando en la mayoría de electrones del haz tiene una dirección dominante, decimos que el haz está polarizado. La técnica de la Despolarización Resonante del Espín aprovecha la polarización natural del haz de electrones para posteriormente provocar y detectar su repentina despolarización, que depende de la energía de la partícula.

Los electrones que orbitan en el anillo de almacenamiento emiten luz de sincrotrón cuando pasan a través de los imanes dipolares. Una pequeña fracción de esta radiación produce un cambio de orientación en el espín del electrón, pero la reorientación que conduce a un estado de energía magnética menor es ligeramente más favorable. En el caso de los electrones, el espín que apunta contra la dirección principal del campo del dipolo es más probable. Por tanto, incluso si un haz recién inyectado en el anillo de almacenamiento empieza con una polarización del 50% (mitad de los espines de los electrones del haz señalan hacia una dirección y la otra mitad apuntan en la dirección opuesta), por probabilidad después de un cierto tiempo los electrones del haz empezarán a apuntar lentamente hacia la dirección más favorable. En el estado de equilibrio, el haz de electrones de ALBA puede llegar a una polarización del 92,38% (es decir, el 92,38% de los espines de los electrones tienen la misma dirección).

La polarización del haz tiene un impacto directo en su tiempo de vida, que es una medida del ritmo al cual los electrones del haz se van perdiendo de manera natural. Los electrones con la misma dirección de espín tienen una sección eficaz ligeramente más pequeña. Esto significa que hay una probabilidad menor de chocar los unos con los otros y en consecuencia, una probabilidad menor de perderse. En resumen, el tiempo de vida del haz es mayor en un haz de electrones polarizado. Este efecto se puede ver en la Fig.1, que muestra la evolución del tiempo de vida del haz justo después de una inyección. En la siguiente hora, a medida que el haz circula libremente por el anillo de almacenamiento de ALBA, los electrones comienzan a alinearse en una misma dirección (contra la dirección principal del campo del dipolo), y el tiempo de vida del haz incrementa en un 7%.

Figura 1. El producto de tiempo de vida aumenta justo después de una inyección de 100 mA en el anillo de almacenamiento como consecuencia de la polarización del haz de electrones.

Mientras que la polarización del haz se produce de forma natural y en una escala de tiempo de una hora aproximadamente, la despolarización puede ser externamente inducida excitando los electrones con un campo electromagnético a la frecuencia adecuada. En este momento, las partículas del haz se despolarizarán resonantemente en pocos segundos y, como resultado, el tiempo de vida del haz decrecerá repentinamente. Un ejemplo de este proceso se muestra en la Fig.2, donde se aprecia el producto del tiempo de vida mientras la excitación vertical va desde 7,541 a 7,538 MHz. En este caso, la frecuencia de despolarización se encuentra a 7,53957 MHz, cuando el tiempo de vida se reduce de nuevo en un 7%.

La frecuencia de despolarización es directamente proporcional a la energía del haz: f_dep=a·γ·f_rev, donde “a” es el momento magnético anómalo, “f_rev” es la frecuencia de la revolución del haz, y “γ=E/mc²” el factor de Lorentz (siendo “m” la masa del electrón y “c” la velocidad de la luz). Como estos parámetros son todos conocidos con exactitud, la energía del haz puede calcularse igualmente con muy buena precisión. Para el caso de la Fig.2, la energía del haz es E=2,97891 ±0.00001 GeV, donde las barras de error vienen dadas por los márgenes del salto mostrado en el gráfico.

Figura 2. Escaneo en frecuencia de la excitación electromagnética producida al haz de electrones buscando la frecuencia de despolarización. La energía equivalente se muestra en el eje superior horizontal.

Podemos decir entonces que la energía del haz de ALBA es 2,97891 GeV? Bien… no siempre. La División de Aceleradores ha estado llevando a cabo medidas precisas de la energía durante los últimos 3 años. La Fig.3 muestra que la energía del haz es de media 2,9789 y tiene pequeños saltos de hasta +/- 0,5 MeV (es decir 0,015%). Esto se puede relacionar con los pequeños cambios producidos en la órbita del haz entre las medidas realizadas en diferentes momentos. Sin embargo, todavía no se ha encontrado una explicación precisa para este fenómeno. Así que, si uno quiere ser realmente preciso (¿o puntilloso?) respecto a la energía del haz de electrones de ALBA, debemos decir que "ALBA es una fuente de luz de sincrotrón, la energía de la cual es de 2,979 GeV y varía con el tiempo dentro de un intervalo de +/- 0,5 MeV...". Ciertamente, formas más cortas y aproximaciones de esta frase son, por supuesto, válidas.

Figura 3. Medidas de la energía en el anillo de almacenamiento del ALBA desde el 2015 mediante la técnica de Despolarización Resonante de Espín.