Проекты XXI века

Международное совещание по методам охлаждения пучков заряженных частиц и их применениям COOL'05 проходило с 18 по 23 сентября в Иллинойсе (США). На эту традиционную встречу собрались около 100 специалистов из крупных ускорительных лабораторий и исследовательских центров: США - Лаборатории имени Ферми, Брукхейвенской ускорительной лаборатории, Лаборатории имени Джефферсона, Министерства энергетики; Германии - GSI (Дармштадт), Исследовательского центра г. Юлих (FZJ), Института Макса Планка (Гейдельберг); Швеции - Университета г. Упсала; ОИЯИ, ИЯФ имени Г.И.Будкера (Новосибирск); Китая - Института современной физики (г. Ланчжоу); Японии - университета Киото, NIRS, КЕК. ОИЯИ представляли сотрудники сектора электронного охлаждения ЛЯП И.Н.Мешков, И.А.Селезнев, А.В.Смирнов.

Мы попросили поделиться своими впечатлениями об участии в совещании И.А.СЕЛЕЗНЕВА.

- Совещание, в первую очередь, было посвящено современному статусу и перспективам развития электронного охлаждения. Во многих докладах был представлен современный уровень развития стохастического охлаждения, и на специальной сессии обсуждалось новое направление - метод мюонного охлаждения.

Участок электронного охлаждения накопителя "Рециркулятор" Фермилаб (внизу) и магниты кольца "Main injector" (вверху).
Наиболее яркие, на мой взгляд, доклады были посвящены пуску системы электронного охлаждения на накопителе антипротонов Recycler Лаборатории имени Ферми (США). Около трех месяцев назад на этой установке была запущена система электронного охлаждения с энергией электронов около 4 МэВ. Причем, не просто запущена, но и была продемонстрирована работоспособность системы на таких рекордных параметрах. Впервые электронное охлаждение работало на столь высокой энергии. В докладах, сделанных С.Нагайцевым, А.Шемякиным, В.Лебедевым, А.Буровым, были представлены результаты запуска системы охлаждения, параметры охлаждения циркулирующего антипротонного пучка в Recycler'е, особенности оптики электронного пучка, проблемы физики электронного охлаждения антипротонов. Приятно отметить, что все они - воспитанники новосибирской школы, причем три первых - дипломники И.Н.Мешкова. Так что "Сибирью прирастает" ныне не только "Земля Российская"! Уже после совещания, в конце сентября в Recycler'е удалось накопить 2,2-2,8x1012 антипротонов, и, в результате, тэватрон установил мировой рекорд по светимости адронных пучков - 1,4x1032 см-2сек-1 (предыдущий рекорд принадлежал протон-протонному коллайдеру ISR в ЦЕРН).

Установка электронного охлаждения Фермилаб на основе электростатического ускорителя на энергию протонов 4,3 Мэв, ток пучка - до 0,5 А в режиме рекуперации.
Подробный и очень интересный анализ существующих моделей электронного охлаждения сделал А.Федотов (выпускник Новосибирского университета, ныне сотрудник Брукхейвенской национальной лаборатории). Он привел результаты численного моделирования и сравнил их с предсказаниями двух аналитических моделей, что позволяет сделать вывод о достоверности каждой из них. Эта область все еще содержит много "белых пятен" - не всегда заранее известно, насколько эффективно будет работать электронное охлаждение в том или ином случае. Как правило, такая неопределенность связана со сложностью вычисления взаимодействия частиц в системе "электрон-ионный пучок" в присутствии пространственного заряда обоих компонент, магнитного поля кулера, фокусирующей системы кольца, ионов остаточного газа и других факторов.

В нескольких докладах был представлен проект системы электронного охлаждения на энергию 2 МэВ для накопителя COSY. Вопросу целесообразности сооружения такой системы было посвящено заседание специально организованной рабочей группы. Участники совещания дали положительную рекомендацию, обосновав ее, прежде всего, возможностью охлаждения пучка поляризованных дейтронов в COSY на энергии эксперимента (до 3,5 ГэВ/нуклон) и необходимостью сооружения охладителя на "промежуточную" энергию - прототипа более "энергичной" системы, необходимой для проекта FAIR (GSI). Охладители COSY и FAIR будут разрабатываться на основе предложений ИЯФ, в варианте, позволяющем формировать так называемый "замагниченный" электронный пучок. В этом главное отличие (и преимущество) предлагаемой системы от действующего уже охладителя Fermilab.

В университете г. Киото сооружается оригинальное накопительное кольцо S-LSR, в котором предполагается получить трехмерный "кристаллический" пучок ионов магния. Магний выбран из-за того, что это один из немногих ионов, для которых существуют лазеры с параметрами, позволяющими осуществить лазерное охлаждение ионов. Кольцо компактное - периметр около 20 м. Его оригинальная оптика - комбинация магнитных и электростатических дефлекторов - должна позволить впервые сформировать трехмерные кристаллические пучки. Предварительное электронное и затем более глубокое лазерное охлаждение должно обеспечить достаточно низкую, порядка милликельвин, температуру ионов (в системе частиц).

Идея кристаллических пучков в накопителях была высказана в начале 80-х годов В.В.Пархомчуком (ИЯФ), после того как на накопителе с электронным охлаждением (кулере) НАП-М было обнаружено аномальное подавление дробового (Шоттки-) шума в охлажденном протонном пучке. Последовавший за этим поток теоретических работ и возникший энтузиазм долго не подкреплялись экспериментом, пока на кулере ESR (GSI, Дармштадт) не были получены одномерные "упорядоченные" ионные пучки. Такой пучок представляет собой "ниточку" ионов, в которой частицы движутся, не обгоняя одна другую. Такое состояние пучка достигается при небольшом (порядка 106) количестве частиц. Упорядоченные пучки могут давать заметный выигрыш в светимости, поскольку эмитанс циркулирующего пучка близок к нулю. Особенно это интересно для электрон-ионных коллайдеров.

Запуск кольца в Киото с электронным охлаждением запланирован на декабрь. Наш коллектив уже несколько лет сотрудничает с группой университета Киото, и я надеюсь в декабре принять участие в запуске кольца.

Тема "миникулеров" была продолжена в докладе, представленном группой IMP (Гейдельберг), где обсуждался проект FLAIR (Facility for Low energy Antiproton and Ion Research) - часть проекта FAIR (GSI). В проекте предполагается возможность использования системы электронного охлаждения кулера CELSIUS (Упсала), который в ближайшее время будет закрыт. Богатая физическая программа проекта включает, в частности, генерацию антиводорода низкой энергии и продолжение экспериментов, аналогичных ведущимся в ЦЕРН (ATHENA и ATRAP).

Проект системы электронного охлаждения для коллайдера RHIC (Брукхейвенская национальная лаборатория) был представлен в докладе И.Бен-Зви. Особенность этой системы, схема которой предложена изначально новосибирской группой, - "сверхвысокая" энергия электронов, около 50 МэВ, что позволяет осуществлять охлаждение ионов в коллайдере на энергии эксперимента для поддержания светимости. Для достижения необходимой, около 50 МэВ, энергии электронов предложено использовать линак-рекуператор. В докладе, представленном на совещании, рассматривался вариант охлаждения "незамагниченным" электронным пучком, что заметно упрощает систему электронного охлаждения.

Проекты создания машин с охлаждением на столь высокую энергию сегодня очень амбициозны. Для их успешной реализации необходимо очень хорошее понимание и тщательное моделирование процессов охлаждения, происходящих на таких энергиях. В работе над этим проектом принимает участие и наша группа (И.Н.Мешков, И.А.Селезнев, А.О.Сидорин, А.В.Смирнов, Г.В.Трубников), которая занимается моделированием процессов охлаждения. Кстати, примерно в 15 докладах, сделанных на совещании, приводились результаты моделирования с использованием программы "BETA-COOL", разработанной в нашей группе.

Значительный прогресс достигнут в осуществлении проекта ускорительного комплекса в IMP (Ланчжоу, Китай). Как сообщалось в докладе Ш.Яна, сооружение двух кулеров идет полным ходом, а обе системы электронного охлаждения, построенные в ИЯФ, уже запущены с электронными пучками в IMP. Этот проект является "китайским вариантом" проекта К4-К10 ОИЯИ, разработка которого, к сожалению, прекращена. После того, как в RIKEN (Япония) в проекте "Фабрики радиоактивных ионов" также пришлось, из-за недостатка средств, отказаться от сооружения кулеров, китайцы становятся своего рода монополистами в области ядерной физики на кулерах (до осуществления проекта FAIR).

Проблемы физики устойчивости охлажденных ионных пучков обсуждались в докладе И.Н.Мешкова, представленном по материалам экспериментальных работ, проведенных в последние годы им совместно с А.О.Сидориным, А.В.Смирновым, Ю.В.Коротаевым и коллегами из FZJ Й.Штайном, Ю.Дитрихом, Р.Майером, Д.Прасуном и другими на накопителе COSY. Сегодня удалось значительно продвинуться в определении предельных возможностей накопления и охлаждения интенсивных ионных пучков в кулерах. Физика таких многокомпонентных систем, возникающих в кулерах, богата и интересна, а ее понимание актуально для практических применений - достижения высокой светимости в кулерах-коллайдерах.

Существенное развитие в последние годы получила техника электронного охлаждения, и связано это в значительной мере с достижениями новосибирской группы В.В.Пархомчука. Ряд новых разработок, представленных в его докладе, -технология изготовления соленоидов с магнитными полями высокой однородности, формирование электронных пучков с регулируемым распределением плотности по сечению, применение электростатических дефлекторов, значительно повышающих эффективность рекуперации электронов, и другие "ноу хау", - позволили создать системы электронного охлаждения нового поколения.

Мой доклад по проекту LEPTA (ЛЯП имени В.П.Джелепова ОИЯИ) вызвал интерес у собравшихся прежде всего потому, что запуск накопителя с электронным пучком, ожидавшийся "охладительным" сообществом уже несколько лет, успешно произведен. А сам факт получения пучка электронов столь низкой энергии (2-10 кэВ), циркулирующих в накопительном кольце с оригинальной фокусирующей системой, открывает новые возможности экспериментальных исследований динамики пучков. Результаты этих исследований позволят в дальнейшем использовать подобный накопитель для постановки целого ряда новых экспериментов в физике частиц, атомной и ядерной физике.

Совещание, прекрасно организованное Лабораторией имени Ферми (председатель оргкомитета - С.Нагайцев), проходило в красивейшем и столь нетипичном для штата Иллинойс северо-западном его уголке, близ г. Galena (то есть Галина - транскрипция подтверждена местными жителями!). Здесь расположен курорт Eagle Ridge Resort - рай для любителей гольфа, которые долгими часами бродят с клюшками по окрестным холмам, старательно подстриженным в соответствии с требованиями этого недешевого, надо заметить, вида спорта: дневной "курс" для группы 4-6 человек стоит около 500 долларов. Нам оставалось любоваться этими холмами и "клюшниками", проезжая по утрам из коттеджей, рассеянных по округе, где нас расселили, к месту проведения совещания в центре курорта.

Материал подготовила Ольга Тарантина