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.