Физики нашли способ сохранить поляризацию протонов при их ускорении в Нуклотроне
Ученые из лаборатории физики ускорителей МФТИ, с коллегами из НТЛ «Заряд» (Новосибирск) и Объединенного института ядерных исследований (Дубна) предложили практические схемы так называемых сибирских змеек — специальных магнитных систем, позволяющих сохранять поляризацию протонного пучка при его ускорении в Нуклотроне, ключевом элементе российского ускорительного комплекса NICA.
У каждого протона есть собственный угловой момент — спин. Когда протоны разгоняются мощными электромагнитами по кольцевой орбите, их спины подвергаются действию многочисленных возмущений электромагнитного поля. На энергиях, при которых частота прецессии спина совпадает с частотами орбитального движения, возникают так называемые спиновые резонансы — и поляризация, то есть преимущественная ориентация спинов в пучке, может быть потеряна.
Комплекс NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) в Дубне — крупнейший российский проект в области ядерной и субъядерной физики. Его сердце — сверхпроводящий синхротрон Нуклотрон, разгоняющий частицы до импульса 12 ГэВ/c. Нуклотрон служит как инжектором частиц в кольца коллайдера NICA, так и самостоятельной экспериментальной площадкой. После инжекции тяжелых ионов в коллайдер для экспериментов на детекторе MPD Нуклотрон большую часть времени простаивает. Именно это время можно использовать для экспериментов с поляризованными протонами на внутренних и внешних мишенях, но только если удастся провести пучок через все спиновые резонансы, не растеряв драгоценную поляризацию.
В диапазоне импульсов Нуклотрона протонный пучок проходит через два типа спиновых резонансов: внутренних резонансов, обязанных корреляции спинового движения с бетатронными колебаниями пучка протонов, и резонансов несовершенства структуры, связанных с неточностью выставки и изготовления магнитных элементов синхротрона. Наиболее опасными являются четыре внутренних и 22целочисленных резонанса, на каждом из которых поляризация может быть потеряна.
Идея сибирской змейки была предложена еще в 1970-х годах новосибирскими физиками. Принцип довольно прост: если вставить в прямолинейный участок ускорителя специальное магнитное устройство, поворачивающее спин протона ровно на 180 градусов вокруг оси, лежащей в плоскости синхротрона, то условия резонанса перестают выполняться. Спин как бы «зеркально отражается» после прохождения змейки при каждом обороте, и резонансное накопление возмущений не происходит. Полная змейка — идеальное решение, но для нее требуется мощное магнитное поле и достаточно свободного пространства, которого в уже построенном ускорителе обычно не хватает.
Авторы статьи, опубликованной в журнале JETP Letters, предложили компромиссный подход: частичные сибирские змейки, которые поворачивают спин не на полные 180 градусов, а на меньший угол. Этого оказывается достаточно, чтобы сдвинуть частоту прецессии спина от значений, соответствующих внутренним и целочисленным резонансам, и тем самым защитить поляризацию. Главное преимущество частичной змейки — компактная конструкция, помещающаяся в структуру Нуклотрона.
Евгений Цыплаков, аспирант МФТИ и сотрудник ОИЯИ: «Когда мы начинали эту работу, ключевым вопросом было: можно ли вписать достаточно мощную соленоидальную частичную змейку в существующие прямолинейные промежутки Нуклотрона? Оказалось, что динамические сверхпроводящие соленоиды, созданные в ОИЯИ на основе кабеля из ниобий-титанового сплава, дают центральное поле до 5,6 тесла и позволяют менять величину поля со скоростью около 1 Тл/с. Это именно то, что нужно: поле змейки должно расти синхронно с импульсом пучка, чтобы обеспечить стабильные условия для бетатронных колебаний на протяжении всего цикла ускорения».
Ученые рассмотрели два конструктивных варианта частичной змейки.
Первый — без компенсации связи бетатронных колебаний: два соленоида длиной 2,8 метра каждый, расположенные во втором суперпериоде Нуклотрона, создают суммарный интеграл продольного поля 28 Тл·м, что эквивалентно примерно 60-процентной змейке.
Второй вариант — с компенсацией связи, то есть с подавлением «перемешивания» горизонтальной и вертикальной мод бетатронных колебаний. Здесь используются четыре более коротких соленоида (по 1,2 метра) с суммарным интегралом 24 Тл·м (около 50-процентной змейки), дополненные четырьмя квадрупольными линзами, повернутыми на ±45 градусов.
Моделирование динамики спина при ускорении протонов подтвердило эффективность обоих предложенных вариантов.
Юрий Филатов, заведующий лабораторией физики ускорителей МФТИ и один из основоположников внедрения сибирских змеек в ускорительный комплекс NICA , подчеркнул: «Важно, что наши схемы не требуют кардинальной перестройки Нуклотрона. Соленоиды вписываются в свободные промежутки, а динамическое управление полем позволяет стабилизировать оптические характеристики пучка в процессе ускорения. Принципиально важно, что такие соленоиды позволят осуществлять быстроцикличную инжекцию поляризованных протонов в коллайдер NICA для достижения проектной светимости встречных пучков».
Однако сохранить поляризацию при ускорении — лишь половина задачи. Для полноценного эксперимента нужно еще и управлять направлением спина, доставляя на мишень протоны с продольной, поперечной или любой другой заданной ориентацией поляризации. Авторы предложили для этого спин-ротатор с фиксированной орбитой, размещаемый в канале транспортировки пучка к экспериментальному залу.
Ротатор состоит из дипольных магнитов и соленоидов, дипольные поля которых растут пропорционально импульсу пучка, благодаря чему орбита остается неподвижной. Подбирая величины продольного и поперечного полей, можно получить любое направление поляризации в вертикальной плоскости на внешней мишени во всем диапазоне импульсов: 2–12 ГэВ/c.
Есть и альтернативный, более экономичный подход для определенных энергий.
На целочисленных спиновых резонансах, расположенных с шагом примерно 523 МэВ, направление поляризации можно изменять прямо внутри Нуклотрона — с помощью так называемых спин-навигаторов, основанных на слабых магнитных полях. Такие навигаторы — два дополнительных слабых соленоида — стабилизируют любое направление спинов в плоскости Нуклотрона в любом месте его орбиты. Это позволяет менять ориентацию поляризации как на внутренней, так и на внешней мишенях, не прибегая к установке громоздкого спин-ротатора в канале транспортировки.
Эксперименты с поляризованными пучками в Нуклотроне могут проводиться на внешних и внутренних мишенях независимо или параллельно с работой коллайдера NICA при проведении исследований с пучками тяжелых ионов, что существенно расширит программу фундаментальных исследований в физике спина на комплексе NICA.
Telegram 
Дзен 
VK Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Мы много знаем о том, как цивилизации до нас строили дома и дороги, но с объектами материальной культуры дела обстоят сложнее. Ремесленные техники часто хранились в строгом секрете и могли быть случайно утрачены при неудачном стечении обстоятельств. Так случилось с ювелирной техникой цзинь чжэ сы.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
Ученые Южного федерального университета исследовали новую светочувствительную молекулу и обнаружили, что она ведет себя совсем не так, как ожидалось. Благодаря необычным свойствам она может стать основой для создания умных материалов, сенсоров и лекарств, которые будут активироваться светом именно там, где нужно, например, для борьбы с опасными бактериями.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно