Сибирские змейки на дипольных магнитах помогут управлять поляризацией протонов в коллайдере NICA

Пучки протонов в ускорителе движутся по замкнутой орбите, а его спин прецессирует вокруг выделенной оси вращения. При определенных значениях энергии спин попадает в резонанс с периодическими магнитными возмущениями структуры кольца, что влечет к деполяризации пучка. Если не принять специальных мер, поляризация пучка оказывается разрушенной.

В апреле мы рассказывали о первой части этой работы: тогда специалисты МФТИ и ОИЯИ показали, как сохранить поляризацию протонов при ускорении в Нуклотроне с помощью частичных змеек на соленоидальном поле, которое является инжектором поляризованных протонов в коллайдер NICA.

Для спин-поляризованных исследований на детекторе SPD (Spin-Physics Detector) коллайдера NICA нужны пучки с векторной степенью поляризации выше 80% при светимости вплоть до 1032 см–2·с–1. Дополнительное условие — система должна обеспечивать быстрый спин-флип частиц во время экспериментов для уменьшения систематических ошибок, не вызванных физикой столкновений, а связанных с асимметриями детектора и несовершенством структуры ускорителя.

Схема ускорительного комплекса NICA в Дубне. Сибирские змейки располагаются в специальных прямолинейных промежутках кольца коллайдера / © nica.jinr.ru

В рамках развития инфраструктуры коллайдера NICA для спин-поляризованных исследований развивается подход спиновой прозрачности (ST-режим), в основе которого лежит исключение влияния структурных дипольных магнитов на поляризацию пучка путем введения в противоположные промежутки коллайдера идентичных сибирских змеек, специальных ротаторов, вращающих спин частиц на 180 градусов. В прозрачных структурах стабилизация спиновой динамики осуществляется с помощью слабых магнитных полей — спиновых навигаторов, которые обеспечивают в детекторе требуемое направление поляризации. ST-режим позволяет проводить широкий спектр спиновых исследований и в полной мере удовлетворяет ключевым требованиям программы по изучению поляризованных протонов в ускорительном комплексе коллайдера NICA.

На начальном этапе обсуждалась возможность установки сибирских змеек на базе соленоидов в оптическую структуру ускорителя. Однако в силу того что интеграл продольного поля соленоидальной змейки должен расти пропорционально импульсу частиц, имеются существенные технологические сложности из-за дефицита свободного пространства для размещения змеек. Альтернативное решение для работы на высоких и сверхвысоких энергиях — применение змеек на поперечных полях, в которых интеграл поля практически не зависит от энергии.

Спиральные сибирские змейки в синхротроне AGS и коллайдере RHIC / © riken.jp

В действующем коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории применяются частичные сибирские змейки на основе спиральных магнитов, исключающих резонансную деполяризацию. Орбита внутри такой змейки отклоняется примерно на три сантиметра при энергии 20 гигаэлектронвольт, что находится в пределах апертуры магнита. Для коллайдера NICA та же конструкция неприемлема: при энергии всего 3,5 гигаэлектронвольт орбита отклонялась бы уже на 20 сантиметров больше, чем позволяет апертура магнитов коллайдера.

В статье авторы предложили вместо сложного спирального магнита использовать набор обычных сверхпроводящих дипольных магнитов с чередующейся ориентацией поля: поочередно в вертикальном и радиальном направлениях, что позволяет снизить отклонение орбиты до уровня четыре сантиметра на 3,5 гигаэлектронвольт, оставаясь в пределах апертуры магнита на низких энергиях. Работа опубликована в журнале «Письма в ЭЧАЯ» и поддержана Российским научным фондом, грант №25-72-30005.

Авторы выполнили численное моделирование спиновой динамики при ускорении протонов в ST-режиме коллайдера NICA с дипольными змейками при стабилизации навигатором продольной поляризации. В процессе ускорения до 13,5 гигаэлектронвольт отклонение продольной компоненты спина пучка не превышало 5% — дипольные змейки полностью подавляют резонансную деполяризацию во всем рабочем диапазоне энергий коллайдера.

Евгений Цыплаков, аспирант МФТИ и сотрудник ОИЯИ, прокомментировал: «Принципиальное преимущество предлагаемого подхода перед спиральной змейкой состоит в существенном ослаблении апертурных ограничений на низких энергиях, а также в большей компактности и технологической простоте конструкции, достигаемой благодаря использованию стандартных дипольных магнитов».

Юрий Филатов, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией физики ускорителей МФТИ, прокомментировал: «Применение сибирских змеек на основе дипольных магнитов позволит реализовать режим спиновой прозрачности и выполнить программу прецизионных спиновых исследований с поляризованными протонами во всем диапазоне энергий NICA. Данный подход открывает перспективы для аналогичных экспериментов на других установках высоких и сверхвысоких энергий, таких как У-70, HiAF и LHC».