Найден способ в полтора раза увеличить область жизни частиц в коллайдере NICA

Группа ученых Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН, Новосибирск) и Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна) провели оптимизацию динамической апертуры, то есть области устойчивого движения частиц в магнитной структуре коллайдера NICA. Согласно расчетам, эту область можно увеличить в полтора-два раза. Результаты опубликованы в журнале «Физика и техника ускорителей» и представлены на заседании Международного консультативного ускорительного комитета коллайдера NICA (NICA Machine Advisory Committee, MAC) в ОИЯИ. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.

NICA — ускорительный комплекс класса mega-science, который создается на базе ОИЯИ. Основная цель экспериментов на новом коллайдере — изучение свойств плотной барионной материи, кварк-глюонной плазмы (состояния вещества, в котором пребывала наша Вселенная первые мгновения после Большого взрыва). Кроме того, на базе комплекса планируется проведение исследований в области материаловедения, нано- и пикотехнологий, медицины, биологии, электроники и пр.

«Коллайдер NICA – уникален, – комментирует начальник отдела сверхпроводящих магнитов и технологий Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ, доктор физико-математических наук Сергей Костромин. – Технология магнитов, компактный периметр, требования к сталкиваемым пучкам – все это делает машину сложной с точки зрения физики и техники ускорителей. Действие нелинейностей, таких как краевые поля квадрупольных магнитов оказывает значительное влияние на динамику циркулирующих пучков. Группа разработчиков коллайдера также ведет подобные расчеты в ОИЯИ. Мы тесно сотрудничаем с ИЯФ по этому направлению. На основании результатов, полученных обеими группами, будет принято решение о конфигурации и настройке системы коррекции влияния краевых полей в коллайдере».

Динамическая апертура коллайдера – одна из самых важных характеристик любого кольцевого ускорителя или накопителя заряженных частиц. Это область устойчивого движения частиц в шестимерном фазовом пространстве. «Если частицы находятся вне динамической апертуры, они будут потеряны в процессе ускорения или накопления. Динамическая апертура установки должна быть больше ее реальной геометрической апертуры, тогда ускоритель спроектирован правильно. От динамической апертуры зависит время жизни пучка, эффективность инжекции частиц, а значит, в итоге количество столкновений частиц в единицу времени – светимость, другая важнейшая характеристика коллайдера» – комментирует один из авторов работы, младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Ксения Карюкина.

На динамическую апертуру частиц в коллайдере NICA оказывают влияние секступольные магниты, корректирующие так называемый натуральный хроматизм, и нелинейные краевые поля квадрупольных линз. Оказалось, что именно последние являются «помехами», которые ограничивают динамическую апертуру коллайдера NICA, причем самое большое влияние оказывают линзы финальной фокусировки пучков перед точкой встречи.

Авторы статьи предлагают добавить в ускорительную структуру комплекса NICA 8 октупольных магнитов, по два с каждой стороны от места встречи пучков, вблизи линз финального фокуса. По их расчетам, это поможет в полтора-два раза увеличить область устойчивого движения частиц. Октупольные линзы имеют компоненты поля, схожие с краевыми полями квадрупольных линз. Если подобрать октупольные линзы определенным образом, то можно нивелировать пагубное влияние краев квадрупольных линз на область устойчивого движения пучка.

«Расчеты и эксперимент, – поясняет Ксения Карюкина, – обычно совпадают с точностью 10-20%, то есть в реальном эксперименте все же могут быть отклонения от моделирования. Кроме того, при расчетах не учитывались возможные ошибки выставки элементов, но даже с их учетом видно, что характеристики динамической апертуры будут удовлетворительными». Для оптимизации авторы использовали «генетический оптимизатор» NGPM, реализованный на Matlab, а также программу Accelerator Toolbox.

В создании комплекса NICA участвуют ученые из 70 институтов 32 стран мира, и один из основных коллаборантов проекта – ИЯФ СО РАН.

Широкий спектр работ, выполненных новосибирским ИЯФ для проекта NICA, станет заделом для реализации собственного ускорительного комплекса класса мегасайенс – электрон-позитронного коллайдера Супер С-тау фабрика. Проект вошел в План реализации Стратегии научно-технологического развития РФ, а также в Программу развития Новосибирского научного центра «Академгородок 2.0».

«Несмотря на кажущееся различие проектов NICA и Супер С-тау фабрика, – поясняет заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Евгений Левичев, – у них много общего. В области детекторов – это, например, разработка и создание сверхпроводящего магнита, системы сбора данных, программы и электроники обработки данных. В области физики ускорителей заряженных частиц – это результаты исследования динамики и эффектов пространственного заряда, формирование электронных облаков, моделирование внутрисгусткового рассеяния. Сходными по технологии являются высоковакуумные системы, устройства диагностики пучка, системы управления и контроля установкой. Эти и другие общие задачи позволяют говорить о возможности тесного сотрудничества ИЯФ и Объединенного института в рамках реализации Супер С-тау фабрики».

На заседании MAC 5-6 июня были представлены также и другие работы ИЯФ СО РАН. В частности, был рассмотрен статус работ по созданию высокочастотных систем для коллайдера NICA — это ключевые системы, используемые для накопления и ускорения нужного количества частиц и формировании пучков с параметрами, необходимыми для проведения эксперимента. Также были представлены результаты по созданию систем электронного охлаждения частиц (кулеров). Кроме того, специалисты ОИЯИ и ИЯФ СО РАН представили предварительные результаты расчетов динамики и светимости поляризованных встречных пучков протонов и дейтронов с учётом эффектов пространственного (собственного) заряда пучков в коллайдере NICA.