Обычно ускорительное кольцо приходится проектировать под определенный эксперимент или задачу. Для одних экспериментов важно не потерять поляризацию пучка при ускорении, а в других — обеспечить достаточное время жизни интенсивного пучка. Поэтому исследователи из ИЯИ РАН и МФТИ решили проверить, можно ли вместо нескольких специализированных установок использовать одну базовую конструкцию, настраивая ее под разные физические программы.
Такая универсальность важна не только с инженерной точки зрения. Часть экспериментов направлена на поиск явлений, которые могут выходить за рамки Стандартной модели — современной теории элементарных частиц. Поэтому разработка единой магнитооптической структуры для подобных исследований потенциально расширяет набор инструментов для поиска новой физики.
Сама идея ускорительного кольца в форме восьмерки не нова: она родилась как способ преодоления спиновых резонансов при ускорении поляризованных пучков. В этом исследовании авторы изучали, как адаптировать структуру восьмерки к нескольким задачам применительно к комплексу NICA-Nuclotron.
Одно из главных преимуществ такой геометрии связано с поведением спина — квантового свойства частицы, которое для наглядности можно представить в виде магнитной стрелки. В обычном кольцевом ускорителе при изменении энергии пучок может попадать в условия спиновых резонансов: в эти моменты «стрелки» спинов отдельных частиц начинают вращаться со своей частотой, и пучок теряет поляризацию.
В кольце-восьмерке эту проблему помогает решить сама форма ускорительного кольца. Магнитные поля в двух поворотных арках направлены противоположно, поэтому вращение спина в одной арке полностью компенсируется во второй. В результате суммарный поворот спина за один оборот равен нулю при любой энергии частицы.
«Мы разрабатываем дизайн кольца таким образом, чтобы с единым набором и неизменным расположением магнитов удовлетворить требованиям сразу нескольких экспериментальных программ», — пояснил Сергей Колокольчиков, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник лаборатории физики ускорителей ИЯИ РАН и МФТИ.
Под магнитооптической структурой физики подразумевают расположение поворотных и фокусирующих магнитов, формирующих траекторию пучка. Ученые предлагают сохранять общую геометрию кольца-восьмерки и расположение его основных элементов, а режимы работы менять настройкой магнитных полей и установкой компактных элементов на прямых участках. Поэтому речь идет не об одной неизменной настройке, а о гибкой базовой структуре, которую можно адаптировать под разные задачи.
Даже если пучок в целом сохраняет поляризацию, спины отдельных частиц со временем начинают вращаться с чуть разной скоростью из-за небольшого разброса по энергии и траекториям. Постепенно согласованность вращения нарушается, этот процесс называют спиновой декогеренцией. Чем дольше спины сохраняют синхронное движение (время спиновой когерентности), тем эффективнее накапливается полезный сигнал и тем выше чувствительность эксперимента.
Чтобы проверить, насколько долго сохраняется эта согласованность в кольце-восьмерке, ученые смоделировали спиновую динамику дейтронов. Расчет охватывал миллиард оборотов — около 1000 секунд циркуляции пучка. Моделирование показало, что в «чистой» восьмерке декогеренция остается пренебрежимо малой даже при реалистичном разбросе частиц по импульсу и координатам. Этот результат подтверждает гипотезу: естественная симметрия восьмерки способна долго сохранять согласованное движение спинов без применения сложных систем коррекции.
Одно из возможных применений такой установки — ускорение поляризованных протонов. Восьмерка позволяет избежать потери поляризации из-за спиновых резонансов. Однако при ускорении протонного поляризованного пучка возникает проблема прохождения критической энергии, где пучок может потерять устойчивость. Исследователи показали, как перенастроить фокусирующие магниты так, чтобы критическая энергия оказалась выше энергии эксперимента, обеспечив стабильное движение пучка в продольной плоскости.
Другое применение ускорителя — поиск аксионоподобных частиц, рассматриваемых в качестве главных кандидатов на роль темной материи. Чтобы обнаружить их воздействие на спины, кольцо используют как «аксионную антенну». Поскольку в восьмерке собственная частота прецессии спина равна нулю, физики могут с помощью компактного фильтра Вина (устройства со скрещенными электрическим и магнитным полями) задать любую малую частоту вращения спина, почти не меняя траекторию частицы. Если эта частота совпадает с частотой осцилляций аксионного поля, возникнет резонансный сигнал. Моделирование подтвердило, что установка одного такого фильтра практически не ухудшает время спиновой когерентности по сравнению с чистой восьмеркой.
Сложнее обстоят дела с измерением электрического дипольного момента частиц, обнаружение которого может пролить свет на возможные нарушения фундаментальных симметрий природы и проблему преобладания материи над антиматерией. Здесь главное достоинство восьмерки оборачивается недостатком: вместе с обычным вращением спина две арки компенсируют и тот слабый сигнал, который ученые хотят измерить.
Чтобы решить эту проблему, ученые предложили добавить на прямые участки два фильтра Вина и два соленоида. Такая схема позволяет накапливать искомый сигнал электрического дипольного момента, но одновременно частично лишает восьмерку ее геометрического преимущества: спины частиц начинают терять согласованность примерно так же, как в обычном кольце, и для компенсации этого эффекта нужны дополнительные магнитные элементы. Чтобы компенсировать этот эффект и сохранить время когерентности нужна дополнительная магнитная коррекция.
«Как только мы переходим к измерению электрического дипольного момента, картина меняется: требуются фильтры Вина и соленоиды на прямых участках. Установка заметно усложняется и теряет преимущества восьмерки по подавлению декогеренции. Для этой конкретной задачи классическое кольцо оказывается даже проще и практичнее», — отметил отметил Алексей Мельников, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ИЯИ РАН и МФТИ.
Для тяжелых ионов ограничение возникает уже по другой причине. В интенсивном пучке частицы взаимодействуют друг с другом, из-за чего пучок постепенно «размывается», ограничивая светимость коллайдера и снижая время удержания пучка. Этот эффект называют внутрипучковым рассеянием. Чтобы уменьшить его влияние, магнитную систему нужно специально оптимизировать.
«Главный вывод нашей работы состоит в том, что универсальность кольца-восьмерки одновременно выступает и его естественным ограничением. Единая магнитооптическая компоновка действительно способна поддерживать четыре принципиально разные экспериментальные программы, но не может быть одинаково идеальной для каждой из них. Наиболее ярко этот компромисс проявляется в режиме тяжелых ионов», — поделился Сергей Колокольчиков.
В более широком смысле исследование демонстрирует, как развитие ускорительной техники может расширять возможности для изучения фундаментальной физики. Речь идет не только о том, как эффективнее управлять пучком частиц, но и о создании инструментов для проверки того, насколько полна современная картина микромира, — от поиска компонентов темной материи до новых источников нарушения фундаментальных симметрий.
Предложенная установка пока на стадии расчетного и проектного моделирования. Исследования выполнялись применительно к комплексу NICA-Nuclotron, где кольцо-восьмерка рассматривается в том числе как возможный бустер — предварительный ускоритель, который подготавливает пучок для последующего ввода в основное кольцо. Следующим шагом ученые планируют экспериментальную проверку времени спиновой когерентности на действующем накопительном кольце, а также изучение влияния реальных несовершенств магнитной системы.
«Сейчас мы находимся на стадии расчетного и проектного моделирования. О сроках практической реализации говорить рано — они будут зависеть от финансирования и приоритетов развития коллайдерного комплекса», — отметил Сергей Колокольчиков.
Статьи опубликованы в журнале Physics of Particles and Nuclei Letters [1], [2]. Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда (грант №25-72-30005). В исследованиях приняли участие сотрудники Института ядерных исследований РАН, Московского физико-технического института, Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» и Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН.