Российские специалисты предложили конструкцию компактного «сибирского змея» для коллайдера NICA для управления поляризацией протонов

Специалисты Московского физико-технического института и Объединённого института ядерных исследований предложили конструкцию компактного магнитного устройства “сибирский змей” для российского коллайдера NICA. Устройство использует поперечное магнитное поле и направлено на сохранение направления спина протонов при их ускорении до максимальной энергии 13,5 ГэВ, а также на контроль направления поляризации в ходе эксперимента. Численное моделирование поляризации протонов показало, что данная конструкция позволяет эффективно подавлять деполяризацию пучка.

Российский ускорительный комплекс NICA Пресс-служба Московского физико-технического института

В ускорителе протонный пучок движется по замкнутой орбите, а спин частиц прецессирует вокруг определённой оси вращения. При достижении пучком некоторых энергий спин может входить в резонанс с периодическими магнитными возмущениями в кольцевой структуре, что вызывает деполяризацию пучка; при отсутствии специальных средств контроля требуемое для эксперимента состояние поляризации пучка будет трудно поддерживать.

Для исследований спиновой поляризации на детекторе спин-физики коллайдера NICA требуется пучок с векторной поляризацией более 80% и светимостью до 10³² см⁻² с⁻¹. Кроме того, система должна обеспечивать быстрое переключение спина частиц в ходе эксперимента для снижения систематических ошибок, вызванных асимметрией детектора и дефектами структуры ускорителя.

В рамках инфраструктуры исследований спиновой поляризации на NICA исследовательская группа развивает метод “спиновой прозрачности”. Этот метод предполагает установку идентичных структур “сибирского змея” в противоположных областях коллайдера, обеспечивающих поворот спина частиц на 180 градусов, что ослабляет влияние структурных дипольных магнитов на поляризацию пучка; в сочетании со слабопольным “спин-навигатором” для стабилизации спиновой динамики достигается требуемое для детектора направление поляризации.

Схема ускорительного комплекса NICA в Дубне. “Сибирский змей” расположен в специальном прямолинейном промежутке кольца коллайдера

Исследователи рассматривали возможность установки “сибирского змея” на основе соленоидов в оптической структуре ускорителя, однако такие решения требуют, чтобы интеграл продольного поля был пропорционален импульсу частиц, что предъявляет высокие требования к монтажному пространству. В отличие от этого, интеграл поля поперечного “сибирского змея” практически не зависит от энергии, что делает его более подходящим для применений при высоких и сверхвысоких энергиях.

Сибирский спиральный змей, наблюдаемый на синхротроне AGS и коллайдере RHIC

В своей статье исследовательская группа предложила заменить сложные спиральные магниты набором обычных сверхпроводящих дипольных магнитов с чередующимся направлением магнитного поля. Данное решение позволяет уменьшить отклонение орбиты при низких энергиях: при 3,5 ГэВ отклонение орбиты составляет около 4 см, что остаётся в пределах апертуры магнита. Для сравнения, аналогичная схема со спиральными магнитами при использовании на NICA при 3,5 ГэВ могла бы привести к отклонению орбиты до 20 см, что превышает апертуру магнитов коллайдера.

На основе дипольного “сибирского змея” и технологии стабилизации продольной поляризации с помощью навигатора исследователи провели численное моделирование спиновой динамики в процессе ускорения протонов в режиме спиновой прозрачности коллайдера NICA. Результаты показали, что при ускорении до 13,5 ГэВ отклонение продольной спиновой компоненты пучка не превышает 5%, что свидетельствует о способности данной дипольной схемы подавлять резонансную деполяризацию во всём рабочем диапазоне энергий NICA.

Результаты исследования опубликованы в журнале “Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики” и поддержаны грантом Российского научного фонда. Исследователи отмечают, что по сравнению со спиральной структурой “сибирского змея” схема на основе стандартных дипольных магнитов позволяет снизить ограничения по апертуре при низких энергиях, делая устройство более компактным и простым по конструкции, а также обеспечивает технологический путь для проведения прецизионных исследований спина поляризованных протонов на NICA.