Конференции

Горячая неделя холодных пучков

С 10 по 14 июня в швейцарском Мюррене, на высоте 1650 м, в окружении знаменитых альпийских вершин Эйгер, Мёнх и Юнгфрау, успешно прошла очередная конференция по методам и технике охлаждения пучков заряженных частиц. Эта "двухгодичная" конференция была уже пятнадцатой. Предыдущая проходила в пансионате "Дубна" (Алушта) и была организована ОИЯИ. На этот раз организатором конференции стал ЦЕРН.

Конференция собрала около 80 ученых из всех лабораторий мира, где применяются и/или развиваются эти методы. Приятно отметить, что в Мюррен приехало большое количество новых участников, в том числе и молодежи.

Открывая конференцию, председатель оргкомитета Ж.Транкиль подчеркнул ее традиционный характер и значимое место, которое она занимает в ряду других международных конференций по физике и технике ускорителей заряженных частиц. Выступивший за ним М.Ламон (ЦЕРН) обратил внимание на важную роль, которую сыграли и продолжают играть методы охлаждения частиц в исследованиях ЦЕРН. Он подчеркнул, в частности, что программа экспериментов на антипротонном замедлителе (Antiproton Decelerator - AD, см. ниже) по своему "весу" и фундаментальности вполне конкурирует с мировым ускорительным лидером - Большим адронным коллайдером (LHC).

"В гостях" у Дж. Бонда: С.Яковенко, А.Кобец, И.Мешков.

Рабочую часть конференции открыла сессия "Обзор наиболее ярких результатов" из двух приглашенных докладов. В первом - "Охлаждение пучков - прошлое, настоящее и будущее" (И.Мешков) - отмечался тот замечательный факт, что благодаря применению методов электронного охлаждения были открыты 3 из 17 "элементов" Стандартной модели. Так, в 1983 году на первом протон-антипротонном коллайдере SP-barPS в ЦЕРН были впервые получены переносчики слабого взаимодействия W^± и Z⁰ бозоны. Этого удалось достичь благодаря созданию комплекса ускорителей для генерации антипротонов и их накопления с помощью стохастического охлаждения (так называемый cooler storage ring - кулер-накопитель). В конце 80-х в Фермилаб был введен в действие протон-антипротнный коллайдер "Тэватрон" с цепочкой ускорителей-накопителей. В этом комплексе накопление антипротонов и формирование антипротонного пучка осуществлялось также с помощью методов охлаждения - стохастического и, позднее, электронного. Система электронного охлаждения (СЭО) на энергию охлаждаемых антипротонов 8 ГэВ, введенная в действие в 1995 году, позволила довести пиковую светимость "Тэватрона" до рекордного (2012 год) значения 4·10³² см^-2с^-1. А в 1995 году на детекторах CDF и DO был открыт топ-кварк, а затем существенно улучшена точность значения его массы. В этих экспериментах определяющую роль сыграли две группы из ОИЯИ. Наконец, 2 июля 2012 года на семинаре в Фермилаб (за два дня до исторического семинара ЦЕРН) было объявлено о "наблюдении" хиггс-пика в районе массы 126 ГэВ. И только недостаточность статистики ("3-сигма достоверность") не позволила признать этот результат открытием.

Методы охлаждения успешно применяются в ядерной и атомной физике. Здесь наиболее впечатляющие результаты получены в GSI на накопителе Experimental Storage Ring (ESR). Прежде всего, следует отметить здесь метод высокоточной Шоттки масс-спектроскопии, позволяющий в ее последней модификации ("Time-resolved") измерять периоды полураспада редких изотопов с одновременным измерением их массы с относительной точностью на уровне 10^-7. Не менее впечатляющий результат достигнут в измерениях величины лэмбовского сдвига основного состояния водородоподобного иона урана U⁹¹⁺ (ядро урана с одним электроном в оболочке). Эти эксперименты, имеющие целью прецизионную проверку квантовой электродинамики, планируется продолжить в дальнейшем в проекте FAIR.

В физике пучков заряженных частиц благодаря развитию метода электронного охлаждения было получено так называемое упорядоченное состояние пучка (ordered beam), в котором глубоко охлажденные ионы выстраиваются в цепочку, вращающуюся на орбите накопителя как целое. Концепция такого "одномерного кристалла" была сформулирована в 1984 году В.В.Пархомчуком по результатам экспериментов в ИЯФ СО АН СССР. Позднее трехмерные "кристаллы" были получены в ловушках заряженных частиц. Однако сформировать трехмерный кристалл частиц в накопительных кольцах до сих пор не удалось. Следует отметить, что критерии образования кристаллических пучков были сформулированы в начале столетия в совместных работах ОИЯИ-RIKEN-CERN и тогда же развиты методы численного моделирования (ОИЯИ). Надежды на формирование трехмерного кристаллического пучка связывают с применением лазерного охлаждения - третьего метода, развитого в начале 90-х гг. и позволившего охлаждать ионы в накопителях до температуры (в системе частиц) порядка единиц кельвин.

Без методов охлаждения невозможно осуществление проектов ближайшего (NICA и FAIR) и отдаленного (электрон-ионный и мюонный коллайдеры) будущего. Последний основан на использовании охлаждения мюонов за счет ионизационных потерь в среде. Отсюда и название - "мюонное охлаждение", так как метод неприменим для сильновзаимодействующих частиц из-за их быстрой гибели в ядерных реакциях.

Во втором приглашенном докладе этой сессии (М.Бласкевич, BNL) был представлен замечательный результат, полученный в экспериментах по трехмерному стохастическому охлаждению (ТСО) ядер урана U⁹²⁺ в сгруппированном пучке Релятивистского коллайдера тяжелых ионов (RHIC). Этот результат не только позволяет повысить светимость RHIC, но и вселяет реальную надежду на применимость ТСО в проектах NICA, FAIR и других.

Ведущие ускорительные центры мира представили на конференции состояние и планы развития своих проектов, основанных на методах охлаждения.

В докладах ЦЕРН обсуждался опыт работы двух действующих кулеров-накопителей - Low Energy Ion Ring (LEIR) и AD. Первый успешно снабжает пучками "электронно-охлажденных" ионов свинца каскад ускорителей, питающих LHC при его работе в ионной моде, а также синхротрон SPS для работы на выведенном ионном пучке. СЭО LEIR была разработана в ИЯФ имени Г.И.Будкера. Второй кулер-замедлитель, работая с использованием стохастического и электронного охлаждения, снабжает медленными (около 5 МэВ) антипротонами три эксперимента, в самом успешном из которых - Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA), удалось формировать и накапливать сгусток из 300 атомов антиводорода и удерживать его в ловушке около 1000 сек. Это позволяет приступить к выполнению главной задачи проекта - экспериментов по радиоспектроскопии сверхтонкого расщепления атомарных уровней антиводорода - проверке CPT-теоремы в сравнении с аналогичными спектрами водорода. В стадии подготовки четвертый эксперимент - Antihydrogen Experiment: gravity, Interferometry, Spectrometry (AEgIS), в котором будет измеряться значение ускорения свободного падения g антиатомов с точностью порядка 1 процент.

Проект Extra Low ENergy Antiproton (ELENA) накопителя, получивший в этом году, после почти 15-летних "мытарств", официальный статус в ЦЕРН, был встречен на конференции с большим интересом. Этот кулер-накопитель будет "пристроен" к AD и значительно расширит возможности экспериментов, замедляя антипротоны до чрезвычайно низкой энергии - около 100 кэВ (энергия охлаждающих электронов 55 эВ!). Еще одна интересная новость: комплекс Isotope Separator On-Line (ISOLDE) в ЦЕРН скоро получит существенное расширение экспериментальных возможностей. Туда будет передан кулер-накопитель Test Storage Ring (TSR) из Института имени Макса Планка, Гейдельберг, выведенный из эксплуатации в декабре минувшего года. Тем самым комплекс, базировавшийся на ионных ловушках, получит возможность проводить эксперименты с использованием методов, развитых на накопителях, например, на ESR (см. выше).

Проект FAIR был представлен в двух приглашенных, шести "оригинальных" и пяти постерных докладах, подготовленных сотрудниками GSI, FZJ и ЦЕРН. Судя по этим докладам, развитие проекта находится в активной фазе разработки. В условиях острого бюджетного дефицита проект претерпел несколько различных модификаций, как сообщил один из его лидеров д-р М.Штек. Сегодня принята первая стадия, так называемая "модульная стартовая версия" ("Modularized Start Version" - MSV). Цель MSV - "обеспечить все главные коллаборации экспериментаторов новыми пучками частиц или улучшить качество существующих по сравнению с доступными в GSI сегодня". При этом важная роль отводится методам охлаждения. В новых накопителях Collector Ring (CR) и High Energy Storage Ring (HESR), а также в накопителе CRYRING, передаваемом из Стокгольмского университета, будет введено стохастическое охлаждение. Кроме того, накопитель HESR, спроектированный изначально под пучки антипротонов, перепроектирован в настоящее время под пучки стабильных ионов и редких изотопов. Создаваемый тандем накопителей CRYRING & ESR, оба из которых имеют собственные СЭО, будет генерировать высокозарядные ионы и редкие изотопы низкой, до 4 МэВ/нуклон энергии. Такое изменение первоначального проекта позволяет в кратчайшие сроки приступить к физическим экспериментам на качественно новом уровне.

Большинство докладов по проекту FAIR были посвящены созданию современных систем стохастического охлаждения, включая охлаждение поляризованных пучков, которое планируется осуществить на кулере-синхротроне (COoler-CYnchrotron - COSY) в Исследовательском центре в Юлихе (Германия). Тем больший интерес вызвали доклады, посвященные созданию СЭО на энергию электронов 2 МэВ, разработанной и испытанной в ИЯФ имени Г.И.Будкера. В настоящее время эта система собрана на COSY и вводится в действие. Она позволяет охлаждать ионы до 3,6 ГэВ/нуклон и рассматривается также в качестве прототипа СЭО для накопителя HESR (энергия электронов до 8 МэВ) и коллайдера NICA (2,5 МэВ соответственно). До сих пор СЭО на энергию мэвного диапазона была построена только в Фермилаб. Ценным опытом ее эксплуатации поделился в своем приглашенном докладе один из разработчиков д-р Л.Прост (Фермилаб).

Председатель оргкомитета Ж.Транкиль и А.Смирнов.

Н.Шурхно.

Проект NICA был представлен тремя приглашенными и двумя постерными докладами. О состоянии работ по проекту рассказал А.Смирнов, а остальные доклады были посвящены разработке систем охлаждения и формирования пучков в коллайдере NICA. Н.Шурхно представил результаты успешного эксперимента по стохастическому охлаждению дейтронов на Нуклотроне с использованием оригинальной аппаратуры, разработанной совместно специалистами ОИЯИ и Центра Юлих. Т.Катаяма, сотрудничающий с группой NICA с начала работ по проекту, рассмотрел в своем докладе схемы накопления частиц в накопителе HESR и коллайдере NICA с использованием так называемого барьерного ВЧ-напряжения и стохастического или электронного охлаждения. Детально эта схема представлена в постерном докладе группы NICA (А.Смирнов, А.Елисеев и др.) Две концепции СЭО коллайдера NICA на энергию электронов до 2,5 МэВ, предложенные недавно в ИЯФ имени Г.И.Будкера и ОИЯИ и предполагающие использование сверхпроводящей системы транспортировки электронного пучка, были представлены в постерном докладе (С.Яковенко и др.) и привлекли внимание участников конференции. Этот вариант СЭО представляет интерес и для других подобных проектов.

На специальной сессии, посвященной проблемам кристаллических пучков и лазерного охлаждения, общий интерес вызвал приглашенный доклад профессора А.Нода (Университет Киото), в котором сообщалось о достигнутом лазерном охлаждении пучка ионов магния по всем трем степеням свободы, что ранее сделать не удавалось. Этот результат, полученный в режиме синхро-бетатронного резонанса связи, вселяет надежду на создание трехмерных кристаллических пучков в кулерах-накопителях.

Среди проектов не столь отдаленного будущего выделяется заявка Института современной физики в Ланчжоу, где успешно работает комплекс двух кулеров-накопителей с электронным охлаждением ("клон" нашего несостоявшегося проекта К4-К10). Теперь китайские коллеги (X.Yang и другие) предполагают создать тяжелоионный ускорительный комплекс высокой интенсивности (High Intensity heavy ion Accelerator Facility - HIAF), состоящий из двух ионных источников - ЭЦР с полем 6 T (!) и лазерного, двух сверхпроводящих (ионного и электронного) линаков-инжекторов, двух многоцелевых кулеров-накопителей, ионного коллайдера с магнитной жесткостью 35 Тл╥м и электронного "кольца" (в форме восьмерки) на энергию до 3 ГэВ, предназначенного для работы коллайдера в электрон-ионной моде. Отличительная особенность комплекса, по мнению авторов, - "беспрецедентно высокая интенсивность импульсных пучков и перестраиваемая многофункциональная система накопительных колец".

Цель проекта ("продвинуть ядерно-физические фундаментальные и прикладные исследования в ранее не доступную область [состояния материи] и предоставить ученым возможность проводить исследования этой области на самом передовом уровне" (цитата из аннотации). В проекте используются все современные достижения коллайдерной науки: пересечение сталкивающихся пучков под углом с применением техники "крабовых" резонаторов, систем электронного и стохастического охлаждения, гибкие (перестраиваемые) фокусирующие системы накопителей, системы подавления неустойчивостей интенсивных пучков, перехватчики потерянных частиц и т.д. Амбициозный проект был предложен в 2009 году и "принципиально одобрен центральным правительством в 2012-м". Сейчас он проходит стадию физического (концептуального) проектирования. Строительство начнется в следующем году, хотя место расположения комплекса еще не утверждено. Обсуждаются два варианта: около города Рончэнг (Rongcheng) на востоке провинции Шэндонг (Shangdong), побережье Желтого моря, или вблизи города Ланчжоу. При бюджете в 380 млн. долларов США комплекс предполагается ввести в действие в 2019-2022 гг. (как написано в аннотации; правда, докладчик назвал уже 2030 год, добавив, что "постараемся построить быстрее").

Проект Лаборатории имени Джефферсона (США), имеющий целью создание коллайдера поляризованных электронов и ионов, был представлен в докладах Я.Дербенева и Й.Жанга. В этом проекте системы электронного охлаждения также являются ключевыми. Первая из них на энергию электронов около 1,5 МэВ будет выполнена по традиционной схеме с непрерывным пучком и электростатическим ускорением/замедлением (режим рекуперации энергии электронов). Вторую СЭО на энергию 50 МэВ предлагается построить на базе электронного линака-рекуператора. Такие линаки работают в JLab и других лабораториях мира, в том числе в ИЯФ имени Г.И.Будкера. Подобные проекты СЭО со сгруппированным электронным пучком неоднократно обсуждались ранее. И вот впервые заявлено о серьезных намерениях осуществить давние замыслы.

Здесь же следует упомянуть еще об одной старой идее в новом прочтении - когерентное электронное охлаждение (В.Литвиненко, BNL). Эта система охлаждения представляет собой комбинацию принципов стохастического и электронного охлаждения: сигнал от охлаждаемого иона модулирует электронный пучок, модуляция усиливается (в предлагаемой схеме) при прохождении электронов через ондулятор, а затем воздействует в "правильной" фазе на охлаждаемый ион. Пока дальше физической схемы развитие этого метода не продвинулось.

Специальная сессия была отведена мюонному охлаждению. В первом, приглашенном докладе Д.Каплан (Фермилаб) рассказал о состоянии работ коллаборации Muon Ionization Cooling Experiment (MICE) в Лаборатории Резерфорда-Эплтона (Великобритания). Как известно, результаты этого эксперимента необходимы для создания нейтринных фабрик и мюонных коллайдеров. Пока проект в стадии подготовки. Ожидается, что работа с мюонным пучком начнется в следующем году. Считается, что можно будет продемонстрировать уменьшение трехмерного эмиттанса пучка примерно на 10 процентов под действием ионизационного охлаждения. В трех остальных докладах сессии обсуждались теоретические исследования вариантов мюонных коллайдеров и их элементов.

Не остался без внимания и диапазон ультранизкой энергии частиц в электронном охлаждении, представляющий интерес в атомной физике молекулярных ионов. Типичная энергия ионов в таких экспериментах порядка нескольких кэВ/нуклон и, соответственно, охлаждающих электронов - в несколько эВ. Магнитная фокусирующая система в ее классическом исполнении крайне неэффективна при столь низкой энергии ионов. Но зато электростатическая система требует легко достижимого уровня фокусирующих/отклоняющих полей. В Институте Макса Планка в Гейдельберге, как рассказал в своем приглашенном докладе профессор А.Вольф, сооружен и вводится в действие криогенный накопитель (Cryogenic Storage Ring - CSR), где будут проводиться исследования, подобные начатым когда-то в KEK.

Наш проект накопителя позитронов низкой энергии LEPTA, представленный в постерном докладе (А.Кобец и другие) по-прежнему вызывает интерес участников конференций по методам охлаждения, несмотря на медленный, хотя и непрерывный прогресс. Кроме многообещающей программы физических экспериментов на позитронии, проект важен для понимания динамики частиц в накопителях с продольным магнитным полем. Последнее обстоятельство подчеркнул В.Пархомчук в своем приглашенном докладе, посвященном обзору новых идей в электронном охлаждении. Он также в очередной раз продемонстрировал высокую эффективность применения "замагниченного" электронного пучка (что заложено в СЭО COSY и коллайдера NICA).

Последняя сессия конференции была посвящена памяти выдающегося физика-ускорительщика Дитера Мёля, который ушел из жизни в мае 2012 года. Он был одним из создателей метода стохастического охлаждения. Его теоретические работы уникальны для понимания и совершенствования техники охлаждения пучков, их результаты использовались на многих ускорителях и накопителях заряженных частиц. Он был одним из тех, кто продемонстрировал в ЦЕРН дееспособность стохастического охлаждения. В ходе сессии прозвучало много добрых и теплых слов об этом человеке от его друзей и коллег, фотографии из семейных архивов показали его как ученого, как друга, отца, деда. В завершение сессии прошло вручение четырех памятных медалей ЦЕРН имени Дитера Мёля. Две из них уехали в Россию - одна с В.В.Пархомчуком в Новосибирск, другая с И.Н.Мешковым в Дубну, двух других удостоены Л.Торндал (ЦЕРН) и Я.Дербенев (ИЯФ СО РАН-JLab). Все четверо известны своими работами по методам охлаждения, начиная с самых первых лет их осуществления.

Доклады конференции будут традиционно размещены на объединенном сайте международных ускорительных конференций http://jacow.org.

Организаторы конференции оптимально спланировали ее программу, предусмотрев работу с 8.30 до 12.00 и с 16.30 до 19.00. Длительные перерывы в середине дня позволили участникам получить удовольствие от богатой экскурсионной программы и прогулок по альпийским склонам. Апофеозом конференции был банкет в знаменитом вращающемся ресторане на пике Schilthorn, построенном в 1969 году специально для съемок "альпийской" серии приключений Дж. Бонда.

Андрей КОБЕЦ,
Игорь МЕШКОВ