Новости физики

Новости науки 23.04.02 Охлаждение мюонного пучка -- рождение аналитической теории

Одним из грандиозных проектов будущего в физике элементарных частиц является создание мюонного коллайдера. Ожидается, что он будет построен не ранее, чем через 10-20 лет, а это означает, что именно сейчас идут наиболее активные разработки его принципиального устройства. Именно в сегодняшних работах проступают общие контуры будущего мюонного коллайдера. Так, в недавней статье, опубликованной в Physical Review Letters, построена аналитическая теория охлаждения мюонного пучка в накопительном кольце коллайдера.

Последние десятилетия экспериментальная физика элементарных частиц шла вверх по шкале энергий, достижимых в лаборатории. Однако всему есть предел: вот уже прекратил свою работу и последний из кольцевых электрон-позитронных коллайдеров LEP. Дело в том, что с ростом энергии электронов катастрофически растет и скорость потери электронами энергии на синхротронное излучение. Простое удерживание электронов с заданной энергией на орбите кольцевого накопителя становится крайне дорогим удовольствием, и потому гонка за высокими энергиями здесь зашла в тупик.

Выходов из этой ситуации несколько, и один из них заключается в том, чтобы удерживать в кольце более тяжелые частицы, например, протоны. Протоны, однако, сами по себе объекты "грязные", не элементарные: при столкновении высокоэнергетических протонов многочисленные кварки и глюоны только мешают друг другу. Поэтому когда возникло желание сталкивать по-настоящему элементарные, но достаточно тяжелые частицы, то выбор естественно остановился на мюонах.

Однако накапливать и ускорять мюоны -- дело нетривиальное: ведь мюоны частицы нестабильные. За время жизни мюона (правда, растянутое благодаря релятивистским эффектам) необходимо пучок получить, впрыснуть его в накопительное кольцо, ускорить, и наконец, охладить. Последний этап -- крайне важен, и причем по двум причинам.

Во-первых, чем плотнее пучок -- то есть, чем меньше поперечные (бетатронные) колебания мюонов относительно средней орбиты -- тем больше вероятность той или иной реакции в столкновениях пучков. Поэтому возникает естественная задача подавления поперечных колебаний. Во-вторых, продольные колебания влекут за собой разброс по энергии мюонов. Такая немонохроматичность пучка очень вредна для прецизионных измерений резонансных реакций, которые планируются на мюонных коллайдерах. Поэтому и подавление продольных колебаний тоже крайне желательно. Оценки показывают, что для эффективной работы коллайдера необходимо подавление поперечных колебаний в 300 раз, а продольных -- по крайней мере на порядок.

Когда дело касалось электронов, то подавление поперечных колебаний не представляло проблемы. Помогало в этом то же синхротронное излучение: ультрарелятивистский электрон, двигаясь по синусоидальной траектории, излучает фотоны в направлении своего движения. При этом теряется как поперечный, так и продольный импульс. Затем в разгоняющем резонаторе продольный импульс восполняется, а поперечный так и остается маленьким.

В случае мюонов такой метод, естественно, не пройдет -- синхротронное излучение подавлено. Не будут работать также и типичные методики охлаждения протонного пучка (например, охлаждение электронами) -- оно происходит слишком медленно по сравнением с временем жизни мюона. Поэтому практически единственной эффективной методикой является ионизационное охлаждение, предложенное еще в 1970-х годах Будкером и Скринским из Новосибирского Института ядерной физики.

Ионизационные потери энергии возникают, когда высокоэнергетическая (заряженная!) частица движется сквозь среду, "сдирая" электроны с внешних оболочек молекул вещества. Потери импульса при этом происходят вдоль направления движения, точно также, как и при радиационном затухании бетатронных колебаний электронов. Поэтому все кинематические результаты переносятся непосредственно и на случай мюонов.

С подавлением продольных колебаний ситуация несколько хитрее, однако существуют идеи, восходящие к тем же Будкеру и Скринскому, по пространственному разнесению частиц с разной энергией. Применяя затем "тормозящий" поглотитель клинообразной формы, можно заставить частицы с большей энергией терять больший продольный импульс, и таким образом, уменьшать и разброс по продольным импульсам.