Сибирские змейки на дипольных магнитах решат проблему поляризации протонов в коллайдере NICA

Специалисты Московского физико-технического института (МФТИ) и Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) предложили новую конструкцию сибирских змеек на основе дипольных магнитов для коллайдера NICA. Эта разработка направлена на решение одной из главных технических проблем физики поляризованных пучков — сохранение ориентации спинов протонов при ускорении до максимальной энергии 13,5 гигаэлектронвольт и контроль за направлением поляризации в ходе экспериментов.

Проблема деполяризации пучков

В ускорителях протоны движутся по замкнутой орбите, а их спин прецессирует вокруг выделенной оси вращения. При определенных значениях энергии спин входит в резонанс с периодическими магнитными возмущениями структуры кольца, что приводит к деполяризации пучка. Если не предпринять специальных мер, поляризация полностью разрушается, что делает невозможными многие эксперименты по изучению спиновой структуры вещества.

Для спин-поляризованных исследований на детекторе SPD (Spin-Physics Detector) коллайдера NICA необходимы пучки с векторной степенью поляризации выше 80% при светимости до 10^32 см^-2·с^-1. Дополнительным требованием является возможность быстрого переворота спина частиц (спин-флип) во время экспериментов — это позволяет уменьшить систематические ошибки, связанные с асимметриями детектора и несовершенством структуры ускорителя.

Сибирские змейки и режим спиновой прозрачности

В рамках развития инфраструктуры NICA для спин-поляризованных исследований применяется подход спиновой прозрачности (ST-режим). Он основан на исключении влияния структурных дипольных магнитов на поляризацию пучка путем установки в противоположных промежутках коллайдера идентичных сибирских змеек — специальных ротаторов, поворачивающих спин частиц на 180 градусов. В прозрачных структурах стабилизация спиновой динамики осуществляется с помощью слабых магнитных полей — спиновых навигаторов, которые обеспечивают требуемое направление поляризации в детекторе.

На начальном этапе рассматривалась установка сибирских змеек на основе соленоидов. Однако из-за того, что интеграл продольного поля соленоидальной змейки должен расти пропорционально импульсу частиц, возникают серьезные технологические сложности из-за дефицита свободного пространства. Альтернативой для работы на высоких и сверхвысоких энергиях являются змейки на поперечных полях, где интеграл поля практически не зависит от энергии.

В действующем коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории применяются частичные сибирские змейки на основе спиральных магнитов, которые исключают резонансную деполяризацию. Однако для NICA такая конструкция неприемлема: при энергии 3,5 гигаэлектронвольт орбита внутри змейки отклонялась бы на 20 сантиметров, что превышает апертуру магнитов коллайдера.

Авторы новой работы предложили заменить сложный спиральный магнит набором обычных сверхпроводящих дипольных магнитов с чередующейся ориентацией поля: поочередно в вертикальном и радиальном направлениях. Это позволило снизить отклонение орбиты до четырех сантиметров при энергии 3,5 гигаэлектронвольт, оставаясь в пределах апертуры магнита на низких энергиях.

Численное моделирование спиновой динамики при ускорении протонов в ST-режиме коллайдера NICA с дипольными змейками показало: при стабилизации навигатором продольной поляризации и ускорении до 13,5 гигаэлектронвольт отклонение продольной компоненты спина пучка не превышает 5%. Это означает, что дипольные змейки полностью подавляют резонансную деполяризацию во всем рабочем диапазоне энергий коллайдера.

Работа опубликована в журнале «Письма в ЭЧАЯ» и поддержана Российским научным фондом (грант №25-72-30005). Авторы подчеркивают, что предложенный подход открывает перспективы для аналогичных экспериментов на других установках высоких и сверхвысоких энергий, таких как У-70, HiAF и LHC.