Совещания

COOL-2011: история, методы, проекты

С 11 по 16 сентября на базе пансионата "Дубна" в Алуште проходило Международное совещание по методам охлаждения пучков заряженных частиц COOL-2011, в котором приняли участие около пятидесяти физиков-ускорительщиков. Поделиться впечатлениями мы попросили члена-корреспондента РАН И.Н.МЕШКОВА. В интервью Игорь Николаевич представил не только обзор докладов, но и рассказал об истории возникновения этого научного направления, методах и их применении, современном состоянии основных ускорительных комплексов, а также последних физических результатах.

Как часто собираются совещания, где проводятся, чему посвящены?

Совещания COOL проводятся раз в два года в ускорительных центрах, где развиваются и применяются методы охлаждения. В Алуште было 14-е, предыдущее проходило в Ланчжоу, Китай. Само направление в ускорительной технике - методы, позволяющие формировать плотные пучки заряженных частиц, - возникло по той причине, что сжать пучок одной фокусирующей системой невозможно, законы природы не позволяют. Пучок заряженных частиц, например протонов, в системе, движущейся со средней скоростью частиц, представляет собой "облако", в котором хаотично перемещаются частицы. Их средняя кинетическая энергия в этой системе или, что то же самое, температура, определяет минимальные размеры пучка. Если температуру понизить, то фокусирующая система сожмет пучок - это принцип всех методов охлаждения.

Расскажите подробнее об этих методах - идеи, применение, развитие.

Исторически первым появился метод электронного охлаждения, предложенный в 1966 году в Новосибирске академиком Будкером. Принцип очень простой. Например, есть пучок ускоренных протонов, циркулирующих при постоянной энергии в ускорителе-синхротроне ("накопителе"). На части траектории к протонам добавляется пучок электронов, скорость которых подстраивается к средней скорости протонов. Получается, что два пучка идут вместе, но электроны холодные, протоны с ними сталкиваются и отдают им часть своей тепловой скорости. Проще это понять, если представить пулю, которая догоняет летящую кучу песка. Пуля в пучке тормозится, если куча движется медленнее пули. Пуля замедляется и летит дальше со скоростью пучка. Если, наоборот, куча песка догоняет пулю, она ее подхватывает и несет с собой. В любом случае скорость пули сравняется со средней скоростью песка. То же самое происходит с протонами и электронами. Это и было предложено Будкером, а позже нашей группой (Диканский, Мешков, Пархомчук, Скринский и коллеги) продемонстрировано на практике и распространилось по всему миру.

Далее Симон Ван дер Меер в ЦЕРН, вдохновленный примером Новосибирска, придумал, как тогда в шутку говорили, как построить так называемый Демон Максвелла, известный в статистической физике мысленный образ. Сидит этот демон и играет с "ансамблем" молекул - сортирует их: быстрые в одну сторону, медленные в другую. У Ван дер Меера все выглядит примерно так же. На орбите, по которой движутся протоны, устанавливают измеритель положения частиц, он измеряет координату частицы и затем по более короткому пути посылает сигнал, пропорциональный отклонению частицы, в кикер. Это устройство, состоящее, например, из двух пластин, к которым прикладывается напряжение, пропорциональное отклонению частицы в измерителе. Кикер толкает частицу обратно, она вылетает из кикера с меньшей поперечной скоростью. Так постепенно колебания частиц затухают. Метод получил название стохастического охлаждения. Идея метода была предложена примерно в 1975 году, а в 1977-м в ЦЕРН, когда я там впервые побывал, метод вовсю использовался и развивался. Первый эксперимент был поставлен на накопителе ISR, первом протон-протонном коллайдере. А дальше протонный синхротрон SPS конвертировали в протон-антипротонный коллайдер. Были обнаружены Z- и W-бозоны, а К.Руббиа и С.Ван дер Меер получили Нобелевскую премию.

Оба метода развивались параллельно, в ЦЕРН были построены несколько установок со стохастическим охлаждением. Всего в мире было построено около 20 таких накопителей, в которых эти методы используются, - т.н. "кулеры". Они работали и работают в разной области энергий охлаждаемых частиц - от десятков МэВ на нуклон до ГэВ. Самая высокоэнергичная система электронного охлаждения антипротонов с энергией около 4 ГэВ была в Фермилабе и обеспечила рост средней светимости в коллайдере Тэватрон почти на порядок. Создала эту систему новосибирская команда во главе с моими учениками (два дипломника, а один и дипломник, и кандидат наук).

Что касается электронного охлаждения, то оба метода дополняют друг друга, поэтому на всех накопителях, где применяется один метод, применяется и другой. Стохастическое охлаждение хорошо охлаждает горячие пучки, но быстро достигает своего предела, если увеличивается число охлаждаемых частиц. Речь идет об интенсивности пучков, за что мы и бьемся в проекте NICA, - повысить светимость нашего коллайдера (число событий в единицу времени). А эффективность электронного охлаждения не зависит, до некоторого предела, от числа частиц, но оно плохо охлаждает горячие пучки. Поэтому их комбинируют - вначале, для предварительной подготовки, хорошо работает стохастическое, потом подхватывает электронное и держит пучок в тех параметрах, которые нужны экспериментаторам. Но на некоторых машинах, в том числе на FAIR, используется только стохастический метод. В бустере NICA будет только электронное, а в коллайдере оба.

Обсуждение проекта NICA. Слева направо: С.А.Костромин (ОИЯИ), Г.В.Трубников (ОИЯИ), T.Катаяма (GSI), И.Н.Мешков (ОИЯИ), Д.Мёль (ЦЕРН).

Третий метод - лазерное охлаждение. Первое предложение появилось в 1975 году при проведении исследований атомов, удерживаемых в атомных ловушках. Затем эта методика была перенесена на кольцевые синхротроны-накопители. Принцип, вообще говоря, тот же самый. По атому или иону ударяет лазерный пучок, возбуждает его. Электрон на электронной оболочке переходит на более высокий уровень и затем излучает. Ион получает импульс от лазерного фотона в направлении лазерного луча, а испускает излучение изотропно при переходе в основное состояние. Этот метод, к сожалению, работает только для очень небольшого набора ионов (вначале 4-5, сейчас больше). Достоинство этого метода в том, что пучки ионов можно охлаждать до очень низких температур в системе частиц - долей милликельвина. Но для этого их надо приготовить, и здесь используется электронное охлаждение. Сейчас на ускорителях интерес к лазерному охлаждению несколько упал. Единственная лаборатория, где продолжаются работы с лазерным охлаждением, находится в университете Киото - накопитель S-LSR. Главная цель - получить упорядоченные пучки, когда ионы выстраиваются в трехмерную структуру, подобную кристаллу.

Идея так называемого кристаллического пучка была предложена В.Пархомчуком (ИЯФ имени Будкера), и первый эффект был зарегистрирован в Новосибирске. Потом на нескольких накопителях - в GSI на ESR, в Гейдельберге на TSR, в Стокгольме на CryRing, на S-LSR все это было подтверждено и подробно исследовано. Но это было сделано с электронным охлаждением. Сейчас японские коллеги пытаются получить глубоко охлажденные пучки с помощью лазерного охлаждения. А вот на атомных ловушках этот метод применяется для прецизионной атомной спектроскопии, что имеет прямое отношение к физике частиц как бы с другой стороны: измерение сверхтонкой структуры атомарных переходов позволяет произвести сравнения водорода и антиводорода. Но об этом далее.

Еще есть четвертый метод - ионизационное, или мюонное охлаждение. Сейчас трудно сказать, кто впервые его предложил, хотя автор главного применения - мюонного коллайдера - хорошо известен: А.Н.Скринский. Идея метода в следующем. Если поток заряженных частиц проходит через вещество, частицы теряют свою энергию, сталкиваясь с атомами вещества. Можно подобрать оптимальную энергию частиц так, что потери энергии на единицу длины будут находиться правее минимума известной кривой ионизационных потерь. Если ускоряющая система восполняет потери энергии частицы на некотором уровне, появляется устойчивая (равновесная) точка на пересечении кривых потерь и прямой постоянного прироста энергии. К чему это приводит? Частицы, которые летят быстрее или медленнее равновесной, "скатываются" в точку равновесия, разброс энергии частиц уменьшается, т. е. пучок охлаждается. При взаимодействии с веществом пучок рассеивается, его надо фокусировать, для этого ставят магнитные линзы. И оказывается, что природа подкинула гораздо более серьезную сложность из-за того, что тяжелые частицы, а речь все время идет только о тяжелых частицах, ядерно взаимодействуют с ядрами в атомах мишени. Это взаимодействие очень сильное, у него высокая вероятность, сечение взаимодействия большое, то есть частицы исчезают в мишени за достаточно короткое время. Вот А.Н.Скринский и предложил использовать мюоны - "тяжелые электроны", для которых ядерные и сильные взаимодействия отсутствуют, поэтому они в такой мишени с ускорением охлаждаются и не погибают.

Схема такого охлаждения сегодня разрабатывается большой американо-европейской международной коллаборацией в эксперименте MIСE (Muon Ionization Cooling Experiment). Его цель - создание мюонного коллайдера. Чем он интересен? В отличие от электрон-позитронных коллайдеров, которые ограничены по энергии из-за синхротронного излучения, мюоны гораздо тяжелее, поэтому для них эти ограничения сняты. Электрон излучает в магнитном поле, поэтому для кольцевых электрон-позитронных кольцевых коллайдеров ограничение чисто техническое - невозможно восполнить мощные потери по мере роста энергии. Известный LEP в ЦЕРН был последней "точкой роста" энергии кольцевых электрон-позитронных коллайдеров. Поэтому перешли к линейным коллайдерам...

Тоже предложено в Новосибирске?

Да. Как шутят наши зарубежные друзья: "Ну конечно, все ускорительные идеи были предложены в Новосибирске". Это недалеко от истины, потому что начиная с конца 50-х до середины 80-х оттуда, из школы Г.И.Будкера, шел просто поток разных идей, это признано. Так вот, по энергии в мюонном коллайдере можно продвинуться гораздо дальше, не говоря о том, что это "другая физика", другой сорт сталкивающихся частиц.

О каких методах были доклады на совещании?

Были представлены все методы. По лазерному был доклад из Киото, были показаны результаты охлаждения, но только по продольной скорости, а трехмерное охлаждение у них пока не получается. Были представлены доклады всех ведущих лабораторий мира - университет Киото, ИЯФ имени Будкера, Протвино, ЦЕРН, GSI и FAIR, Юлих (тоже FAIR). К сожалению, не было Брукхейвена. Была коллаборация MIСE и был представитель Фермилаб. Если смотреть по энергиям, то самые низкие - это антипротонный замедлитель AD и накопитель LEIR в ЦЕРН. Последний формирует пучки ионов свинца, ускоряемых дальше в каскаде ускорителей и инжектируемых в LHC, где с ними уже успешно работают эксперименты ALISE и CMS. В LEIR работает система охлаждения, построенная новосибирскими специалистами.

Антипротонный замедлитель сегодня обслуживает три эксперимента, два из них по генерации антиводорода - ALFA и A-Trap. Известно, и это уже сообщалось в СМИ, что в ALFA удалось получить и удерживать атомы антиводорода около секунды. Я уже упоминал прецизионную спектроскопию - сравнение спектров водорода и антиводорода. Для водорода долгоживущий переход 1s-2s (так называемое метастабильное состояние) измерен с высочайшей точностью (/ = 1,8^-14). И есть желание провести такие же прецизионные измерения с антиводородом. Сравнить их и убедиться, выполняется ли знаменитая CPT-теорема (зарядo-пространственно-временная симметрия). Пока что она незыблема в физике как в науке, а не как в природе. А что в природе - физики пытаются понять. Поэтому цель этих двух экспериментов на AD - провести не менее точные измерения для антиводорода. Сравнения покажут, есть ли отличия в пределах пяти знаменитых стандартных ошибок. Если есть, то при переходе от частиц к античастицам нарушается зарядовая симметрия. Это будет сенсация посильнее той, что сегодня со световыми нейтрино...

А, кстати, что со световыми нейтрино? Как лично вы относитесь к этому факту?

Скорее всего, аппаратурная ошибка. Очень маловероятно, что это достоверный результат. Там довольно сложные измерения времени, расстояний, синхронизация событий и т.д. Кроме того, неизвестна точно траектория нейтрино. Они же летят сквозь землю и положение детектора в точке старта еще надо понять, потому что GPS измеряет положение на поверхности Земли... Словом, много разных вопросов предстоит выяснить и уточнить.

Тогда вернемся к антиводороду...

Об этом был доклад лидера эксперимента ALFA Дж.Хангста. Он, кстати, одним из первых осуществил лазерное охлаждение на накопителях. Его доклад, можно сказать, был изюминкой совещания. Были представлены все существующие ведущие проекты, использующие методы охлаждения, и проекты, которые в стадии подготовки. Самые крупные - NICA и FAIR. Было представлено состояние проекта мюонного коллайдера MICE. FAIR был представлен в нескольких докладах. Был доклад из Юлиха, лаборатории, которая принимает активное участие в FAIR. Статусные доклады были представлены из Фермилаба - основные достижения на Тэватроне, охлаждение антипротонов до самой высокой в мире энергии, до 8 ГэВ. Были очень интересные доклады по развитию всех методов и состоянию физики охлаждения.

Первый раз совещание этой серии прошло на территории Украины. До этого были совещания в 1996 году на теплоходе от Москвы до Нижнего Новгорода и в 1998 году - в Дубне. Официальные организаторы - ОИЯИ, при поддержке ИЯФ имени Будкера и Научного совета Российской академии наук по ускорителям заряженных частиц. Следующее совещание будет проводить ЦЕРН.

Post scriptum

Ученый секретарь конференции Сергей Яковенко (ЛЯП ОИЯИ):
Не первый раз за время проведения конференций COOL ее организатором стал ОИЯИ. Я считаю, что организаторы справились со своей задачей, мы получили много благодарных отзывов от участников совещания. Особо хотел бы отметить секретарей конференции Катю Ахманову и Ольгу Матюхину, которым пришлось проделать большую подготовительную работу. На конференции было немало интересных докладов. Живой интерес вызвал доклад Андрея Анатольевича Серого "Статуc и перспективы ускорительных проектов в Великобритании". Запомнилось также чествование одного из пионеров электронного охлаждения члена-корреспондента РАН Игоря Николаевича Мешкова, которому в этом году исполнилось 75 лет. Очень много теплых слов было сказано в адрес И.Н.Мешкова его коллегами и друзьями: Дитером Мёлем (ЦЕРН), Юргеном Дитрихом (Юлих), Такеши Катаямой (Дармштадт), которым довелось работать с ним в разное время, а сейчас они сотрудничают в проекте NICA. Немало приветствий прозвучало и от учеников.

Заместитель директора ЛФВЭ Григорий Трубников:
Уровень семинара COLL-2011 был высочайший - были представлены все основные ускорительные центры мира. Например, приехал Энди Сесслер - легенда ускорительной физики и техники, который, несмотря на очень преклонный возраст, находится в прекрасной научной и физической форме. Он в прошлом директор Берклиевской лаборатории, автор многих учебников по ускорительной физике, автор основополагающих работ по динамике и фазовой устойчивости пучков заряженных частиц. Его присутствие создавало особую атмосферу конференции. Он сделал замечательный научный доклад об одной возможности накопления антипротонов.

Для ОИЯИ и проекта NICA важным моментом стало то, что благодаря присутствию многих членов нашего экспертного комитета по проекту NICA (в числе участников было 7 человек из 12 членов нашего МАС), мы провели два заседания экспертного комитета во время конференции. Главным вопросом для обсуждения стал сценарий охлаждения пучков в коллайдере во всем диапазоне рабочих энергий. Это принципиальный вопрос, который нам в июне (во время МАС'а в Дубне) поручили проанализировать и найти решение. Фактически на конференции COOL-2011 был представлен научный доклад по такому сценарию работы, позволяющему удерживать максимальную светимость эксперимента на всех энергиях в течение длительного времени. Члены МАС согласились и одобрили наше предложение.