Введение к работе
Актуальность проблемы. Для исследований в экспериментальной физике элементарных частиц большой интерес представляют пучки поляризованных тяжелых частиц, в частности, пучки поляризованных протонов. В настоящее время активно обсуждаются аспекты, связанные со спиновой зависимостью в рамках кварковых моделей, разрабатываются программы соответствующих экспериментов. Становятся традиционными конференции и совещания по этой тематике.
В настоящее время, по-видимому, единственным способом получения поляризованных протонов высоких энергий является получение этих частиц в поляризованном состоянии в источниках при сравнительно низких энергиях с последующим ускорением в линейных и циклических ускорителях. Такие возможности сегодня видны во всем диапазоне энергий от нерелятивистских до самых высоких, которые могут быть получены в неотдапенном будущем.
В LANL в линейном ускорителе ускорен пучок поляризованных протонов до энергий 200-800 МэВ. В настоящее время завершается настройка линейного ускорителя Московской мезоиной фабрики в Институте ядерных исследований РАН, где также планируется ускорять пучки поляризованных протонов и отрицательных ионов водорода.
В Аргоннскои лаборатории проведены первые эксперименты с поляризованными протонами в области энергий до 12 ГэВ (максимальная энергия ускорителя). В Брукхевенской лаборатории пучок поляризованных протонов ускорен до энергии 22 ГэВ/с.
На очереди - продвижение в область более высоких энергий. В настоящее время в мире обсуждаются проблемы ускорения пучков поляризованных протонов до высоких энергий в рамках существующих п проектируемых ускорительных комплексов. Это проекты каонноп фабрики в TRIUMF и Московской каонной фабрики, ускорение поляризованных протонов до энергий 250 ГэВ в RHIC в BNL, 120-150 ГэВ в основном инжекторе в FNAL.
Переход на программу экспериментов с поляризованными частицами в ускорителях и накопителях тяжелых частиц связан в общем случае с решением двух задач:
-
Создание источников, дающих достаточно интенсивный поляризованный пучок.
-
Сохранение степени поляризации при ускорении частиц.
Задача сохранения степени поляризации затруднена эффектами деполяризации при транспортировке н ускорении поляризованных частиц. В каналах транспортировки и в линейных ускорителях деполяризация носит нерезонансный характер. В результате взаимодействия вектора спина с неоднородными магнитными полями образуются аберрации вектора спина. Интересной и важной является задача исследования поведения аберраций спина вдоль различных каналов транспортировки и вдоль линейного ускорителя, а также конечная степень поляризации при использовании различных магнитных элементов для транспортировки пучка поляризованных частиц. Дополнительная важная задача об исследовании качества поляризованного пучка возникает при проведении некоторых экспериментов с поляризованными пучками. Например, при проведении эксперимента по исследованию эффектов нарушения пространственной четности важно знать распределение компонент вектора спина по сечению пучка, т.е. моменты аберраций спина, в частности, первые перекрестные моменты.
При ускорении пучка поляризованных протонов в циклических машинах деполяризация носит резонансный характер и обусловлена возмущениями магнитной структуры и наличием фокусирующих магнитных полей. Так как спиновая частота зависит от энергии, то при ускорении до высоких энергий пересекается большое число спиновых резонансов. Очевидные способы борьбы с деполяризацией - компенсация опасных гармоник возмущающих полей и увеличение скорости пересечения резонанса - использовались в Аргоннской и Брукхсвснской лабораториях. Возможность применения и эффективность этих методов определяется особенностями конкретной магнитной структуры ускорителя. Следовательно, интересной и полезной является задача исследования применимости этих методов и определение условий и необходимых параметров их использования. Но трудности на этом пути, требующем кропотливой работы, быстро растут с ростом максимальной энергии.
Наиболее радикальным методом сохранения поляризации, позволя-щнм многократно повысить максимальную энергию поляризованных частиц, является метод Сибирских Змеек, предложенный А.М.Кондратенко и Я.С.Дербеневым и опробованный на практике на Cooler Ring в Индн-
анском университете. Суть метода состоит во введении в кольцо специальных магнитных полей, существенно перестраивающих спиновое движенце. В случае полной Сибирской Змейки спиновая частота становится независимой от энергии и равной одной второй. Но в случае средних энергий ускорителя (до 10 ГэВ) использование полных Сибирских Змеек затруднено, так как использование поперечных магнитных полей при таких энергиях приводит к неприемлемому искажению равновесной орбиты, а использование продольного поля дает немалую его величину, и желательно использовать сверхпроводящее поле. Но в этом случае невозможно технически быстро изменять его величину в цикле ускорения. Таким образом, интересно и полезно рассмотреть использование частичных Сибирских Змеек в циклических ускорителях на средние энергии..
Цель диссертационной работы заключается в исследовании причин образования аберраций спина и первых моментов аберраций в различных магнитооптических элементах, используемых для фокусировки пучков поляризованных'протонов; в численном исследовании поведения векторов спина пучка поляризованных протонов в двух вариантах канала транспортировки (построенных из соленоидов или из квадрупольных магнитных линз в качестве фокусирующих элементов) Московской мезонної! фа'брпкп; в численном исследовании поведения векторов спина пучка поляризованных протонов вдоль ускоряюще-фокуспрующего канала линейного ускорителя Московской мезонной фабрики; в исследовании эффектов деполяризации в синхротронах на энергию до 10 ГэВ; в исследовании возможности и условий применимости методов быстрого скачка вертикальной бстатроннои частоты для устранения влияния внутрешшх спиновых резонансов и адиабатического пересечения спиновых резонан-сов несовершенств в синхротронах на примерах бустеров-рейстрек проектов Московской каошгой фабрики и Каонной фабрики TRIUMF; в разработке магнитооптических схем для сохранения поляризации с использованием стационарного продольного магнитного поля в синхротронах на примере бустера проекта Каонной фабрики TRIUMF.
Научная новизна работы. Впервые численно промоделировано движение векторов спина пучка поляризованных протонов в двух вариантах канала транспортировки Московской мезонной фабрики ИЯИ РАН от системы формирования пучка в источнике до входа в ускоритель, проведен
сравнительный анализ.
Впервые аналитически и численно исследовано поведение векторов спина пучка поляризованных протонов в ускоряюще-фокуснрующем канале линейного ускорителя Московской мезонной фабрики.
Детально исследованы эффекты деполяризации в синхротронах на средние энергии, имеющих форму рейстрек; для расчета сил спиновых резонансов несовершенств в синхротронах, используемых для ускорения поляризованных протонов, использован способ расчета с помощью функции отклика.
Рассмотрена специальная магнитооптическая структура синхротрона, имеющего форму рейстрек, с высокой периодичностью арок и прямолинейными участками, которые имеют единичную матрицу преобразования в фазовом пространстве и являются прозрачными для спина, для уменьшения числа внутренних спиновых резонансов.
Исследована возможность и условия применимости метода быстрого скачка вертикальной бетатроннон частоты для устранения влияния внутренних спиновых резонансов в синхротронах на средние энергии; впервые численно исследован процесс пересечения спиновых резонансов при использовании этого метода в бустере проекта Каонной фабрики TRIUMF.
Проведен численный анализ метода адиабатического пересечения спиновых резонансов несовершенств в приложении к синхротронам на средние энергии.
Предлагаются и численно анализируются магнитооптические схемы по подавлению деполяризации, обусловленной обоими типами спиновых резонансов, с использованием стационарного продольного магнитного поля (частичная Сибирская Змейка).
Практическая ценность работы. Выполненные в диссертации исследования поведения поляризации пучка в канале транспортировки поляризованных протонов и в линейном ускорителе являются частью работы, связанной с проблемой транспортировки и ускорения пучка поляризованных частиц в линейном ускорителе Московской мезонной фабрики
Даны рекомендации по компановке канала пучка поляризованных протонов от источника до входа в ускоритель, которые позволяют получить меньшую степень деполяризации и меньшую величину перекрестных моментов аберраций спина в пучке.
Исследования эффектов деполяризащш п методов сохранения поляризации в синхротронах на средние энергии, выполненные в рамках разработки проекта Московской каонной фабрики ИЯИ РАН, могут быть использованы при исследованиях возможности ускорения поляризованных частиц в существующих и вновь проектируемых синхротронах.
Использование специальной магнитооптической структуры кольца-рейстрек для ускорения пучка поляризованных протонов с цепью уменьшения числа внутренних спиновых реоонансов планируется использовать для бустера проекта Каонной фабрики TRIUMF. Выполненные численные исследования методов быстрого скачка бетатронной частоты и адиабатического пересечения спиновых реоонансов несовершенств позволяют сделать вывод о возможности использования этих методов для сохранения поляризации в бустере TRIUMF.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, содержащего 66 наименовании. Работа изложена на 125 страницах, включая 29 рисунков и список литературы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном семинаре "Программа Экспериментальных исследований на мезонной фабрике ИЯИ АН СССР" (Звенигород, 1987г.), на Всесоюзных семинарах по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1988г., 1992г.), на Международной конференции по линейным ускорителям (1988г.), на Международном симпозиуме по физике спина высоких энергий (Бонн, 1990г.).
Данная работа отражает результаты теоретических и численных исследований динамики спина протонов по научно-исследовательской работе "Канал транспортировки пучка поляризованных протонов для Московской мезонной фабрики" и по теме "Проект Московской каонной фабрики" в соответствии с постановлением 1987 года по фпопке высоких энергий.
На защиту выносятся:
1. Анализ причин образования аберраций спина п первых моментов
аберраций относительно поперечных к направлению поляризации осей в различных магнитооптических элементах, используемых для фокусировки и транспортировки пучка поляризованных протонов.
2. Результаты численного исследования поведения вектора спина и по-
ляризации в двух вариантах канала транспортировки пучка поляризованных протонов от источника до входа в ускоритель.
3. Результаты аналитического и численного исследования поведения
векторов спина пучка поляризованных частиц в линейном ускорителе Московской мезопной фабрики.
4. Анализ эффектов деполяризации и влияния спиновых резопансов в
синхротронах на энергию до 10 ГэВ.
5. Численное исследование применимости метода быстрого скачка вер-
тикальной бетатронной частоты для устранения влияния внутренних спиновых резонансов в синхротронах.
6. Анализ применимости и численное исследование метода адиабатиче-
ского пересечения спиновых резонансов несовершенств в синхротронах на средние энергии.
7. Разработка и исследование магнитооптических схем для сохранения
поляризации с использованием стационарного продольного поля (частичная Сибирская Змейка) в синхротронах на средние энергии.